JP2006520088A - 接着される基板を前処理するための方法および装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、基板を接着する前に基板の表面または接着表面を処理する方法および装置を提供する。本発明によれば、接着されることになる基板の表面は、接着前に大気プラズマで処理される。これにより、基板の表面は、クリーニングされ、化学的に活性化され、または、除去される。しかしながら、対応する反応プラズマガスによって層を成長させることもできる。本発明は、接着される基板を簡単かつ低コストの方法で製造可能であって、高い接着強度を実現できる点において好都合である。

Description

本発明は、基板を接着（接続）するための方法および装置に関し、特に、半導体技術において基板を接着する前に基板の表面を前処理するための方法および装置に関する。

前記基板は、直接に又は中間層を介して、互いに接続される。前記基板は、全体又は部分的に特に銅で金属被覆され、その後、前記金属表面を介して溶融接合される。

例えば半導体基板の接着（接続）では、半導体基板は各半導体基板の一方の表面でしっかりと接続されるが、接続されることとなる表面の特性が重要な役割を果たす。その表面の物理的および化学的特性は、接続される基板の接着強度に影響する。特に、（肉眼的および顕微鏡的な）表面粗さ、選択的な中間および境界の層、および、表面エネルギーまたは表面張力は、接着結果に影響する。基板表面上の銅層を介して基板を接着する際、前記層上の形成されている酸化銅が接着強度に悪い結果をもたらす。

基板表面を低圧プラズマ装置内でプラズマによって処理することが知られている。しかしながら、この方法は、低圧プラズマ装置を必要とするために非常に複雑であり、また、基板を出し入れしなければならないので時間の無駄でもある。さらに、接着エネルギーを増加させるために、約４００℃での温度処理も必要となる。

「Vakuum in Forshung und Praxis」１４（２００２），Ｎｏ．３、１４９―１５５頁によって、大気圧でプラズマにより固体の表面をクリーニングして被覆することが知られている。この文献は、対応する被覆装置およびクリーニング方法のあらましを提供している。また、大気プラズマ(atmospheric plasma)で表面をクリーニングおよび被覆するための装置の操作構成も開示されている。この文献は、大気プラズマによって、例えば、腐食に対する保護を実現するために金属の表面を処理したり、有機被覆を施す前にプラスチックの表面を改質することを教えている。
「Vakuum in Forshung und Praxis」１４（２００２），Ｎｏ．３、１４９―１５５頁

本発明の目的は、接着される基板の接着強度を改良するとともに、接着エネルギー（結合エネルギー）を増加させるための熱処理の温度を低下させることによって、簡単かつ低コストの方法と、簡単かつ低コストの装置を提供することにある。

この目的は、特許請求の範囲に記載の特徴によって達成される。

この目的を達成するに際して、本発明は次のような基本思想から始まる。

下記において、基板が別の基板に接続（接着）されるところの、表面または基板の表面上の層を「接着表面」という。

接着の前に、接続される半導体基板の接着表面の少なくとも一方は、大気プラズマの露出にさらされる。好適な実施形態では、対応するガスによって形成されるプラズマは、コロナ放電によって生成される。接着表面が適用されるプラズマ、エネルギー密度、電圧、周波数を受ける時間に応じて、接着表面は、プラズマ処理によって、クリーニングされ、化学的に活性化され、または、除去される。そのときに、金属層上の酸化物のような望まれない中間層もまた除去されて、その表面の平滑化すなわち粗さ除去が達成される。プラズマによってその表面上に層が形成されるのであれば、SiO_Xからなる絶縁層を形成するための例えば酸素を基板の表面と反応させるように、プラズマを形成するガスが選択される。本発明のプラズマ処理は、ウェットケミカルクリーニング処理の前後で行われ得るもので、基板接着前の最終段階として実施されてもよい。従来技術で知られている装置に対応する、接着前のプラズマ処理のための装置は、ＰＣＴ／ＥＰ０１／０７０４２に記載され且つ図１に示されるようなウェットケミカル処理のための装置と、基板接着のための装置と共に、１つのユニットに組み合わされることができる。しかしながら、本発明の装置は、ウェットケミカル処理および基板接着のための装置から分離されてもよい。

プラズマ処理装置は、１つの平面上に１つまたは複数の基板が置かれて処理されるように構成されてもよい。しかしながら、平行に配置された２つ以上の基板が同一の電極装置によって同時に処理されるように構成されてもよい。２番目の構成は、プラズマ処理と次の接着のための装置の組み合わせからなる構成であることが特に好ましい。その利点は、処理の後に基板が直接接着され、全体の工程時間がさらに短縮されることにある。１つの装置から別の装置へ基板を移動させる必要がなく、基板が汚染される危険も最小化される。

本発明は、接着前に簡単かつ低コストの処理を行うのに好都合であり、基板の加熱と温度に過敏な基板の損傷を避けられる。本発明において好適なコロナ放電（誘電バリア放電(dielectric barrier discharge)）によるプラズマ生成において、十分に高い交流電圧が印加されれば、１０^―８秒の値域の非常に短い持続時間を有する複数の集中した(localized)微小放電が２つの電極間に起きる。これらの微小放電の間、ガスは電子励起、イオン化および電離によって活性化され、化学的に反応する種(species)が形成される。これにより、放電ギャップでの平均ガス温度は、数度ケルヴィンだけ上昇する。このように放電は低温のままであり、それ故に半導体基板を接着するのに非常に適している。本発明は、基板の直接接着に特に好都合である。なぜなら、この工程には、非常にきれいで滑らかな表面が要求されるからである。本発明によって、表面エネルギーまたは表面張力を増加させることができる。したがって、同じ接着強度を達成するのに要求される焼き鈍し段階において、明らかにより低い温度で足りる。この焼き鈍し段階では、比較的に弱いファンデルヴァールス結合が共有（化学）結合に変わる。

以下において、本発明が図面を基礎としてより詳細に説明される。
図１は、プラズマ２の影響下での支持部４上の半導体基板１を通る断面を示す。プラズマ２は、処理ガスによって高電圧電極３の下で発生する。半導体基板用の支持部４は、対抗電極として機能する。対抗電極がない構成を用いることも可能である。この場合、処理される基板は、電気的に絶縁される。これはまた、浮揚プラズマ(floated plasma)とも呼ばれる。プラズマは、高電圧電極３を水平方向に移動させことと、支持部４をプラズマ２に対して水平方向に移動させることによってもまた、半導体基板１の表面に影響を及ぼす。しかしながら、プラズマと、半導体基板を有する支持部４とを反対方向に移動させることもできる。これらの移動は、２つの矢印Ａによって示される。半導体表面１ａと高電圧電極３との間の距離ｄは、２つの矢印Ｂの方向に高電圧電極３または支持部４を移動させることによって調節可能である。半導体基板の表面１ａを横切ってプラズマを１回通過（スキャン）させるだけで十分であることが分かった。スキャン数が増えるにつれて、接着エネルギーは減少する。これは、表面がプラズマ処理によって改質されていることを意味する。

図２は、本発明において使用可能な、空気中での誘電バリア放電によって図１に示す原理を実現する状態を示す。図２において、誘電バリア層３１ａ，３２ａをそれぞれ有する２つの高電圧電極３１，３２は、支持部４上に配置されている半導体基板１の表面１ａに対向して配置されている。これらの電極３１，３２は高電圧発生源７に接続されている。支持部４は、対抗電極として機能し、接地されている。高電圧電極３１，３２と半導体基板の表面１ａとの間には、微小放電８が起きる。これにより、高電圧電極３１，３２と表面１ａとの間の電界を通って処理ガス容器６から流れる処理ガス５によってプラズマ２が生成される。プラズマは、１−１０ナノ秒の持続時間を有する微小放電によって生成される。放電通路は、０．１ｍｍの半径を有する。微小放電の間に移動する電荷は、１００ないし１０００ｐＣである。電流密度は１００ないし１０００Ａ／ｃｍ^２である。電子密度は１０^１４ないし１０^１５ｃｍ^―３で、平均電子エネルギーは１ないし１０ｅＶである。プラズマ処理の間、周囲からの空気流によって起こされる処理ガスの希釈を防止するために、ガス流が維持される。好ましくは、高電圧電極３１，３２と半導体基板の表面１ａとの間の距離ｄは、０．５ないし２ｍｍに設定される。電極電圧は、１０ないし２０ｋＶが好ましく、周波数は２０ないし６０ｋＨｚが好ましい。しかしながら、プラズマは、約１４ＭＨｚまでの高周波数で励起されてもよい。例えば表面１ａがきれいにされて絶縁層で被覆されるべきであるなら、酸素またはオゾンが処理ガスとして使用できる。粗さが除去されて表面原子が化学的に活性化される層除去段階では、例えば窒素やアルゴンなどの不活性ガスによるプラズマ処理が好都合である。さらに、二酸化炭素、アンモニア、フォーミングガス、塩酸、またはこれらの混合ガスが処理ガスとして使用されてもよい。

図３は、図１に示す原理を別の方法で実現する状態を示す。この実施形態では、２つの半導体基板１，１'が支持部４，４'上に平行に配置されている。これにより、これら２つの半導体基板１，１'は、同じ電極装置３１，３２によって同時に処理されることができる。

本発明の方法においては、σが２Ｊ／ｍ^２以上である十分な接着エネルギーが、接着後に必要な焼き鈍しにおいて２００℃の焼き鈍し温度で既に実現可能であることが分かった。この値は、１ないし５時間の短い焼き鈍し時間で既に達成されている。

図４は、スキャン後の２００℃での焼き鈍し時間ｔによる接着エネルギーσについての異なるプラズマガスの効果を示す。合成空気、純粋酸素および純粋窒素が試された。通常の空気を基準として示す。純粋窒素からなるプラズマによると最高の接着エネルギーを最短時間で達成できることが示されている。

図５は、スキャン後の２００℃での焼き鈍し時間による接着エネルギーσの増加についてのガス流の影響を示す。通常の空気を基準として窒素と酸素からなる合成空気が試された。窒素と酸素のガス流の比率は、１６：４slm（２０℃で１気圧での毎分当たりのリッター）と、４０：１０slmとした。ガス流の増加が最短時間内での最良の接着エネルギーをもたらすことが明らかになった。このように、ガス流は、本発明の方法においては特に重要である。多いガス流が本質的に接着エネルギーを増加させる。

本発明のプラズマ処理では、界面の欠陥（気泡）の発生も防止される。純粋窒素または合成空気からなるプラズマでの処理の後には、２００℃で２０時間の焼き鈍しの後でも赤外線顕微鏡で目立った欠陥を見つけることはできなかった。しかしながら、酸素プラズマでの処理の後で同じ加熱処理の場合には欠陥が見つかった。加熱処理でより高温を使用したとき、一般的に、目立った欠陥が発生しやすい。しかしながら、本発明の方法は高い界面エネルギーを実現するのに短い加熱処理時間で足りるので、本発明の方法では界面欠陥は問題にならない。

本発明によれば、図２のプラズマ処理装置は、プラズマ処理装置のすぐ下流側に配置される半導体基板を接着する装置と組み合わされることが好ましい。基板は、直接（すなわち中間層を介さずに）接着されるのが好ましい。しかしながら、半導体基板の表面とプラズマの反応の後に中間層が成長してもよく、この場合、接着は接着剤によって行われる。また、接着剤、はんだ、または金属層を既に有している基板の表面を処理することもできる。これは、元々ある酸化物を除去してクリーニングするため、または、層を活性化させるために行われる。基板はまた、基板上に部分的または全体に適用された金属層（好ましくは銅）を介して接着されてもよい。そのとき、基板は溶融接着される。大気圧（ＡＰ）の下では、本発明のプラズマは、基板上の銅層の表面から、通常空気内で銅表面に急速に現れる銅酸化物を除去する。これにより、基板接着の際の接着強度が増加する。

本発明は、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）接着に使用されるのが好ましい。

工程の方向において、本発明のプラズマ処理装置は、基板のウェットケミカル処理の装置の後に配置されてもよい。また、ウェットケミカル処理およびプラズマ処理のための複数の連続する装置が提供されてもよく、この場合、装置の順序は変更可能である。プラズマ処理装置は、ウェットケミカル処理装置および接着装置と共に一体のユニットとして組み合わされてもよい。しかしながら、前記装置は、対応する組み合わせ（結合集団）の範囲内で互いに離れて配置されてもよい。３００ｍｍまでの直径を有する基板は、本発明の装置でプラズマ処理されるのが好ましい。

プラズマが大気圧下で生成されて維持されるという事実からプラズマ処理装置の種々の構成が生じ、その結果、減圧装置は必要ではない。したがって、本発明の方法は、柔軟に使用可能であり、その結果、製造コストと時間を低減することができる。

半導体基板の表面のプラズマ処理の一般原理図。 本発明において使用可能な、接着表面を前処理する装置の原理図。 本発明において使用可能な、２つの平行な平面にある接着表面を同時に前処理する装置の原理図。 接続エネルギーを増加させる異なるプラズマガスの効果を示す図。 接続エネルギーを増加させるガス流の効果を示す図。

符号の説明

１，１'…基板
１ａ…表面または接着表面
２…プラズマ
３，３１，３２…高電圧電極
４，４'…支持部
５…処理ガス
６…処理ガス容器
７…高電圧発生源
８…微小放電
３１ａ，３２ａ…誘電バリア層

Claims (37)

1. 少なくとも１つの接着表面を前処理した後に接着することによって少なくとも２つの基板（１，１'）を接続する方法において、
   前記前処理として大気圧下でプラズマ（２）を前記接着表面に作用させることを特徴とする方法。
2. 前記プラズマ（２）はコロナ放電（８）によって生成されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記接着表面（１ａ）は前記プラズマ（２）によってクリーニングされることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
4. 前記接着表面（１ａ）は前記プラズマ（２）によって化学的に活性化されることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の方法。
5. 前記接着表面（１ａ）上の層が前記プラズマ（２）によって除去されることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の方法。
6. 前記プラズマ（２）によって前記接着表面（１ａ）上に層が成長することを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の方法。
7. 前記基板（１，１'）は接着の際に直接に接続されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の方法。
8. 前記基板（１，１'）は前記基板を全体的または部分的に覆う金属層を介して接続されることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の方法。
9. 前記金属層は銅からなることを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. 前記プラズマ処理は、前記基板（１，１'）のウェットケミカルクリーニングの前に行われることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の方法。
11. 前記プラズマ処理は、前記基板（１，１'）のウェットケミカルクリーニングの後に行われることを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載の方法。
12. 前記プラズマ処理は、接着前の最終段階として行われることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれかに記載の方法。
13. 前記プラズマ処理および前記ウェットケミカルクリーニングは複数回行われることを特徴とする請求項１０ないし１２のいずれかに記載の方法。
14. 前記プラズマ（２）は、酸素またはオゾンまたは不活性ガスを用いて生成されることを特徴とする請求項１ないし１３のいずれかに記載の方法。
15. 前記プラズマ（２）は窒素ガスを用いて生成されることを特徴とする請求項１４に記載の方法。
16. 二酸化炭素、アンモニア、フォーミングガス、塩酸またはこれらの混合ガスが処理ガスとして使用されることを特徴とする請求項１ないし１５に記載の方法。
17. 前記プラズマ（２）は前記基板（１，１'）の前記接着表面（１ａ）を横切って通ることを特徴とする請求項１ないし１６のいずれかに記載の方法。
18. 前記基板（１，１'）の前記接着表面（１ａ）が前記プラズマ（２）を貫通して移動することを特徴とする請求項１ないし１６のいずれかに記載の方法。
19. 前記プラズマ（２）および前記基板（１，１'）の前記接着表面（１ａ）が互いに対して移動することを特徴とする請求項１ないし１６のいずれかに記載の方法。
20. 前記プラズマ（２）が１回のスキャンだけで前記接着表面（１ａ）を横切って通ることを特徴とする請求項１７ないし１９に記載の方法。
21. 前記プラズマ（２）が複数の基板（１，１'）の前記接着表面（１ａ）に同時に作用することを特徴とする請求項１ないし２０のいずれかに記載の方法。
22. 半導体基板の接着またはＳＯＩ接着における前処理のための請求項１ないし２１のいずれかに記載の方法。
23. 高電圧電極（３；３１，３２）と対抗電極との間のコロナ放電によってプラズマ（２）を生成する装置と、前記プラズマ内に少なくとも１つの基板（１，１'）を配置するための支持部（４，４'）とを備えた、接着前に基板（１，１'）の接着表面（１ａ）を前処理するための装置。
24. 前記支持部（４，４'）が対抗電極として構成されていることを特徴とする請求項２３に記載の装置。
25. 高電圧電極（３；３１，３２）によるコロナ放電によってプラズマ（２）を生成する手段と、支持部（４，４'）とを備え、少なくとも１つの基板（１，１'）が前記プラズマ内の前記支持部（４，４'）上に配置されていることを特徴とする、接着前に基板（１，１'）の接着表面（１ａ）を前処理するための装置。
26. 前記基板（１，１'）が電気的に絶縁された状態で前記支持部（４，４'）上に配置されていることを特徴とする請求項２５に記載の装置。
27. 前記高電圧電極（３）および前記支持部（４，４'）が互いに対して移動可能であることを特徴とする請求項２３ないし２６のいずれかに記載の装置。
28. 前記高電圧電極（３）および前記支持部（４，４'）が互いに対して水平方向（Ａ）および垂直方向（Ｂ）に移動可能であることを特徴とする請求項２７に記載の装置。
29. 前記高電圧電極（３）と前記基板（１）の前記接着表面（１ａ）との間の距離（ｄ）が０．２ないし３ｍｍ、好ましくは０．５ないし２ｍｍであることを特徴とする請求項２３ないし２８のいずれかに記載の装置。
30. 前記コロナ放電は、１０ないし２０ｋＶの電極電圧で、且つ、２０ｋＨｚないし１４ＭＨｚの周波数で起きることを特徴とする請求項２３ないし２９のいずれかに記載の装置。
31. 前記３００ｍｍまでの直径を有する基板を処理する手段を含むことを特徴とする請求項２３ないし３０のいずれかに記載の装置。
32. 少なくとも２つの基板（１，１'）が同じ平面上に置かれて処理されることを特徴とする請求項２３ないし３１のいずれかに記載の装置。
33. 少なくとも２つの基板（１，１'）が２つの平行な平面に置かれて同時に処理されることを特徴とする請求項２３ないし３１に記載の装置。
34. 半導体基板の接着における前処理のための請求項２３ないし３３のいずれかに記載の装置の使用。
35. ＳＯＩ接着における前処理のための請求項２３ないし３３のいずれかに記載の装置の使用。
36. 請求項２３ないし３３のいずれかに記載の少なくとも１つの装置を含む基板接着のための構成であって、前記装置は前記構成の上流側に配置されていることを特徴とする構成。
37. ウェットケミカルクリーニングのための少なくとも１つの装置を含む請求項３６の構成であって、前記ウェットケミカルクリーニング装置は前記構成の上流側に配置されていることを特徴とする構成。

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