WO2004051729A2 - Verfahren und vorrichtung zur vorbehandlung der oberflächen von zu bondenden substraten - Google Patents

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WO2004051729A2
WO2004051729A2 PCT/EP2003/013710 EP0313710W WO2004051729A2 WO 2004051729 A2 WO2004051729 A2 WO 2004051729A2 EP 0313710 W EP0313710 W EP 0313710W WO 2004051729 A2 WO2004051729 A2 WO 2004051729A2
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bonding
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carrier
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Markus Gabriel
Christian Ossmann
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Suess Mircro Tec Lithography GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10P—GENERIC PROCESSES OR APPARATUS FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10P10/00—Bonding of wafers, substrates or parts of devices
    • H10P10/12—Bonding of semiconductor wafers or semiconductor substrates to semiconductor wafers or semiconductor substrates
    • H10P10/128—Bonding of semiconductor wafers or semiconductor substrates to semiconductor wafers or semiconductor substrates by direct semiconductor to semiconductor bonding

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for bonding (bonding) substrates and in particular for pretreating the surfaces of substrates before bonding the substrates in semiconductor technology.
  • the substrates can be connected to one another directly or via intermediate layers.
  • the substrates can be completely or partially metallized, in particular with copper, and then eutectically bonded over the metal surfaces.
  • bonding e.g. Semiconductor substrates
  • one surface of each of the semiconductor substrates being firmly adhered to one another
  • the physical and chemical surface properties have a direct influence on the adhesive strength of the substrates to be joined.
  • the surface roughness macroscopic and microscopic
  • any intermediate and boundary layers and the surface energy or surface tension can influence the Bondergebms.
  • copper oxide formed on the layers has a disadvantageous effect on the bond strength.
  • the invention has for its object to provide a simple and inexpensive method and a simple and inexpensive device with which the adhesive strength of the bonded substrates is improved and the temperature of the heat treatment to increase the bond energy (bond energy) is reduced.
  • the invention is based on the following basic ideas.
  • a surface or a layer on the surface of a substrate, via which this substrate is to be bonded to another substrate is referred to as a "bonding surface”.
  • the plasma which is formed by a corresponding gas, is generated by a corona discharge.
  • the plasma treatment can be used to clean, chemically activate or remove the bond area, whereby undesired intermediate layers such as oxides on metal layers are also removed and smoothing, ie the Removal of surface roughness results.
  • the gas forming the plasma is selected so that it reacts with the substrate surface, for example oxygen to form insulator layers made of SiO x .
  • the plasma treatment according to the invention can take place both before and after wet chemical cleaning processes and can be provided as the last process cut before the substrates are bonded.
  • a device for plasma treatment before bonding which can correspond to the device known in the prior art, can be integrated in a unit with a device for wet chemical treatment, as described in PCT / EPO 1/07042 and shown there in the associated FIG. 1 , and a device for bonding substrates.
  • the device according to the invention can also be spatially be arranged separately from the devices for wet chemical treatment and the bonding of substrates.
  • the plasma treatment device can be designed in such a way that one or more substrates are treated lying on one level. However, it can also be designed in such a way that two or more substrates in a parallel arrangement are treated synchronously with the same electrode system.
  • the second embodiment is particularly preferable in a system that consists of the combination of devices for plasma treatment and subsequent bonding. The advantages are that the substrates can be bonded immediately after the treatment and the overall process time can be further reduced. The transport of substrates from one device to another is eliminated and the risk of contaminating the substrates is minimized.
  • the advantage of the invention lies in a simple and inexpensive treatment prior to bonding, wherein heating of the substrates and damage to temperature-sensitive substrates are avoided.
  • corona discharge dielectric barrier discharge
  • a large number of localized micro-discharges are formed between two conductive electrodes when an alternating voltage of sufficient size is applied, which have a very short time period in the range of 10 " ⁇ sec Excitation, ionization and dissociation are activated and chemically reactive species are formed.
  • the average gas temperature in the discharge gap is increased by a few degrees Kelvin. The discharge therefore remains cold and is therefore very well suited for the bonding of semiconductor substrates.
  • the invention is particularly advantageous for direct connection (Direct bonding) of substrates, since very clean and smooth surfaces are required.
  • the invention allows the surface energy or tension to be increased. As a result, when the required annealing is achieved with the same bond strength with d lower temperatures can be managed. During this healing, the relatively weak Van der Waals bonds are converted into covalent (chemical) bonds.
  • 1 shows a general schematic diagram of a plasma treatment of the surface of a semiconductor substrate
  • 2 shows the basic diagram of a device for pretreating bond areas which can be used in the invention
  • FIG. 3 shows the basic diagram of a device for the simultaneous pretreatment of bond areas in two parallel planes, which can be used in the invention
  • Fig. 5 shows the effect of gas flow on increasing the connection energy.
  • FIG. 1 shows a cross section through a semiconductor substrate 1 on a carrier 4, on which a plasma 2 acts.
  • the plasma 2 is generated below a high-voltage electrode 3 from a process gas.
  • the carrier 4 for the semiconductor substrate serves as a counter electrode. It is also possible to use a construction without a counter electrode. In this case, the substrate to be treated can be electrically isolated. This is also referred to as “floated plasma”.
  • the effect of plasma on the surface 1 a of the semiconductor substrate 1 can take place by moving the counter electrode 3 in the horizontal direction as well as by moving the carrier 4 in the horizontal direction with respect to the plasma 2.
  • simultaneous action is also possible Movement of the plasma and the carrier 4 with the semiconductor substrate in opposite directions These movements are indicated by the double arrows A.
  • the distance d between the semiconductor substrate surface 1 a and the high voltage electrode 3 can be set by moving the high voltage electrode 3 or the carrier 4 in the double arrow direction B. It has been found that a pass (scan) of the plasma over the surface 1 a of the semiconductor substrate is sufficient and the number of scans decreases the bond energy again, which means that the surface treatment is modified by the plasma treatment.
  • FIG. 2 shows an implementation of the principle shown in FIG. 1 by means of a dielectric barrier discharge in air, as can be used in the invention.
  • a two-part high-voltage electrode 31, 32 with a dielectric barrier layer 31a and 32a is arranged opposite the surface 1a of the semiconductor substrate 1, which is located on the carrier 4; these electrodes 31, 32 are connected to a high voltage generator 7.
  • the carrier 4 is as a counter electrode with earth connected.
  • a micro-discharge 8 which generates a plasma 2 from a process gas 5 which flows from a process gas container 6 through the electric field between the high-voltage electrodes 31, 32 and the surface la.
  • the plasma is formed by micro-discharges with a duration of 1-10 ns.
  • the discharge paths have a radius of 0.1 mm.
  • the charge transported during a micro discharge is 100 to 1000 pC.
  • the current density is 100 to 1000 A / cm 2 .
  • the electron density is 10 14 to 10 15 cm “ 3 and the average electron energy is 1 to 10 eV.
  • the gas flow is maintained to prevent dilution of the process gas by the inflow of air from the environment.
  • the distance d between of the high-voltage electrodes 31, 32 and the semiconductor substrate surface 1a is set to approximately 0.5 to 2 mm
  • the electrode voltage is preferably 10 to 20 kV and the frequency is preferably set to 20 to 60 kHZ, but the plasma can also be set at higher frequencies up to approximately 14 MHz are excited.
  • process gases O 2 or O can be used 3 when purified, for example, the surface la or to be covered with an insulating layer.
  • an inert gas such as Nitrogen or argon, are advantageous CO 2 , NH 3 , forming gas, HC1 or mixtures of the gases mentioned can be used.
  • FIG. 3 shows an alternative implementation of the principle shown in FIG. 1.
  • two semiconductor substrates 1, 1 ' are arranged parallel to one another on carriers 4, 4'.
  • the two semiconductor substrates 1, 1 ' can thus be treated synchronously with the same electrode system 31, 32.
  • FIG. 4 shows the effect of various plasma gases on the connection energy ⁇ as a function of the healing time t at 200 ° C. and after a scan. Synthetic air, pure oxygen and pure nitrogen are examined. Normal air is given as reference. It can be seen that with a plasma of pure nitrogen the highest Binding energies can be achieved in the shortest possible time.
  • FIG. 5 shows the influence of the gas flow on the increase in the connection energy ⁇ as a function of the healing time t at 200 ° C. after a scan.
  • Synthetic air with a composition of nitrogen and oxygen and normal air was examined as a reference.
  • the gas flows of nitrogen and oxygen were in a ratio of 16 to 4 slm (liters per minute at 20 ° C and one atmosphere) or 40 to 10 slm. It can be seen that the increase in gas flow leads to the best connection energies in the shortest time.
  • the gas flow is therefore of crucial importance for the process according to the invention. High gas flows significantly increase the bond energy.
  • the plasma treatment according to the invention also prevents the formation of interface defects (bubbles). After treatment with a plasma of pure nitrogen or synthetic air, no detectable defects were found even after a 20-hour healing period at 200 ° C. using IR microscopy. ' However, defects were found with the same heat treatment after treatment with an oxygen plasma. Generally, the higher the temperature of a heat treatment, the greater the likelihood of creating interface defects. However, since the method according to the invention requires only short heat treatment times to achieve a high interfacial energy, interface defects are not critical in the method according to the invention.
  • the plasma treatment device according to the invention according to FIG. 2 is combined according to the invention with a preferably directly downstream device for bonding the semiconductor substrates.
  • the substrates are preferably bonded by direct bonding (ie without an intermediate layer).
  • an intermediate layer can also be grown after a reaction of the plasma with the surface of the semiconductor substrate, the bonding being carried out, for example, by means of an adhesive.
  • surfaces of substrates can be treated which already have an adhesive, solder or metal layer. This is done, for example, to clean, remove native oxides or to activate the layers.
  • the substrates can also be bonded via metal layers, preferably copper, applied partially or completely to the substrates. The substrates are then eutectically bonded. It has been found that the plasma according to the invention at atmospheric pressure (AP) is copper oxide which is present on copper surfaces in normal air quickly forms, removed from the surface of the copper layer on the substrate. This increases the bond strength during subsequent bonding.
  • AP atmospheric pressure
  • the invention is preferably used in SOI (Silicon On Isolator) bonding.
  • the plasma treatment device can be located behind a device for the wet chemical treatment of the substrates in the process direction.
  • a plurality of successive devices for wet chemical and plasma treatment can also be provided, the order of the devices being interchangeable.
  • the device for plasma treatment can be combined with a device for wet chemical treatment and a device for bonding in an integral unit.
  • the devices mentioned can also be arranged spatially separated from one another within a corresponding summary (bond cluster).
  • Substrates with a diameter of 300 mm are preferably plasma treated with the device according to the invention.
  • the versatile arrangement of the plasma treatment device according to the invention results from the fact that the plasma is generated and maintained at atmospheric pressure and a vacuum apparatus can thus be dispensed with. This enables the method according to the invention to be used flexibly, and production costs and times can be saved.

Landscapes

  • Cleaning Or Drying Semiconductors (AREA)
  • Element Separation (AREA)
  • Manufacture Of Macromolecular Shaped Articles (AREA)
  • Treatments Of Macromolecular Shaped Articles (AREA)

Abstract

Es wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Behandlung der Oberflächen bzw. Bondflächen von Substraten vor einem Bonden der Substrate zur Verfügung gestellt. Erfindungsgemäss werden die Oberflächen von zu bondenden Substraten vor dem Bonden mit einem atmosphärischen Plasma behandelt. Auf diese Weise können die Oberflächen der Substrate gereinigt, chemisch aktiviert oder abgetragen werden. Es kann jedoch auch durch entsprechende reaktive Plasmagase eine Schicht aufgewachsen werden. Die Vorteile der Erfindung liegen in einer einfachen und kostengünstigen Herstellung von gebondeten Substraten, wobei eine hohe Haftfestigkeit erzielt werden kann.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Vorbehandlung der Oberflächen von zu bondenden
Substraten
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bonden (Nerbinden) von Substraten und insbesondere zur Vorbehandlung der Oberflächen von Substraten vor einem Bonden der Substrate in der Halbleitertechnologie.
Die Substrate können direkt oder über Zwischenschichten miteinander verbunden werden. So können die Substrate ganz oder teilweise metallisiert sein, insbesondere mit Kupfer, und dann über die Metalloberflächen eutektisch gebondet werden.
Beim Bonden (Verbinden) von z.B. Halbleitersubstraten, wobei je eine Oberfläche der Halbleitersubstrate miteinander fest verhaftet werden, spielt die Beschaffenheit der zu verbindenden Oberflächen eine große Rolle. Die physikalische und chemische Oberflächenbeschaffenheit hat einen direkten Einfluß auf die Haftfestigkeit der zu verbindenden Substrate. So können insbesondere die Oberflächen-Rauhigkeit (makroskopisch und mikroskopisch), eventuelle Zwischen- und Grenzschichten und die Oberflächenenergie bzw. Oberflächenspannung das Bondergebms beeinflussen. Beim Bonden der Substrate über Kupferschichten auf der Oberfläche der Substrate wirkt sich auf den Schichten gebildetes Kupferoxid nachteilig auf die Bondfestigkeit aus.
Es ist bereits bekannt, die Substratoberflächen mittels Plasma in einer Νiederdruck- Plasmaanlage zu behandeln. Allerdings ist dieses Verfahren wegen der erforderlichen Νiederdruck-Plasmaanlage apparativ aufwendig und wegen der EinVAusschleusung der Substrate auch zeitaufwendig. Außerdem ist zur Erhöhung der Verbindungsenergie eine Temperaturbehandlung von ca. 400°C erforderlich.
Aus "Vakuum in Forschung und Praxis" 14 (2002), Νr. 3, Seiten 149-155 ist es an sich bekannt, Oberflächen von Festkörpern mittels Plasma bei Atmosphärendruck zu reinigen und zu beschichten. Die Druckschrift gibt eine Übersicht über entsprechende Beschichtungssysteme und Reinigungsverfahren. Außerdem wird der operative Aufbau einer Vorrichtung zur Beschichtung und Reinigung von Oberflächen mittels Atmosphärendruckplasmen dargestellt. Dabei werden mittels atmosphärischen Plasma, z.B. die Oberflächen von Metallen behandelt, um einen Korrosionsschutz zu erreichen, und die Oberfläche von Kunstoffen vor einer organischen Beschichtung modifiziert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und kostengünstiges Verfahren und eine einfache und kostengünstige Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, mit denen die Haftfestigkeit der gebondeten Substrate verbessert wird und die Temperatur der Wärmebehandlung zur Erhöhung der Verbindungsenergie (Bondenergie) gesenkt wird.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche gelöst.
Bei der Lösung geht die Erfindung von folgenden Grundgedanken aus.
Nachstehend wird eine Oberfläche oder eine Schicht auf der Oberfläche eines Substrates, über die dieses Substrat mit einem anderen Substrat verbunden (gebondet) werden soll, als "Bondfläche" bezeichnet.
Vor dem Bonden wird mindestens eine der Bondflächen der zu verbindenden Halbleitersubstrate der Einwirkung eines atmosphärischen Plasmas ausgesetzt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Plasma, das durch ein entsprechendes Gas gebildet wird, durch eine Koronaentladung erzeugt. In Abhängigkeit von der Verweildauer der Bondfläche im Plasma, der Energiedichte sowie der angelegten Spannung und Frequenz kann durch die Plasmabehandlung die Bondfläche gereinigt, chemisch aktiviert oder abgetragen werden, wobei auch unerwünschte Zwischenschichten wie Oxide auf Metallschichten entfernt werden und sich auch eine Glättung, d.h. die Beseitigung von Rauhigkeiten der Oberfläche ergibt. Wenn durch das Plasma eine Schicht auf der Oberfläche aufgetragen werden soll, wird das das Plasma bildende Gas so gewählt, daß es mit der Substratoberfläche reagiert, z.B. Sauerstoff zur Bildung von Isolatorschichten aus SiOx. Die erfindungsgemäße Plasmabehandlung kann sowohl vor als auch nach naßchemischen Reinigungsverfahren erfolgen und als letzter Prozeßschnitt vor dem Bonden der Substrate vorgesehen werden. Eine Vorrichtung zur Plasmabehandlung vor dem Bonden, die der im Stand der Technik bekannten Vorrichtung entsprechen kann, kann in einer Einheit mit einer Vorrichtung für Naßchemiebehandlung, wie sie in der PCT/EPO 1/07042 beschrieben und dort in der zugehörigen Fig. 1 gezeigt ist, und einer Vorrichtung zum Bonden von Substraten zusammengefaßt sein. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann jedoch auch räumlich getrennt von den Vorrichtungen für naßchemische Behandlung und das Bonden von Substraten angeordnet sein.
Die Vorrichtung der Plasmabehandlung kann so gestaltet sein, dass ein oder mehrere Substrate auf einer Ebene liegend behandelt werden. Sie kann aber auch so gestaltet werden, dass zwei oder mehrere Substrate in parallerer Anordnung mit dem gleichen Elektrodensystem synchron behandelt werden. Die zweite Ausführung ist insbesondere in einer Anlage vorzuzuiehen, die aus der Kombination von Vorrichtungen zur Plasmabehandlung und anschliessendem Bonden besteht. Die Vorteile liegen darin, dass die Substrate unmittelbar nach der Behandlung gebondet werden können und die Gesamtprozesszeit weiter verkürzt werden kann. Der Substrattransport von einer Vorrichtung zur anderen entfällt und das Risiko die Substrate dabei zu kontaminieren wird minimiert.
Der Vorteil der Erfindung liegt in einer einfachen und kostengünstigen Behandlung vor dem Bonden, wobei eine Erwärmung der Substrate und die Schädigung von temperaturempfindlichen Substraten vermieden wird. Bei der erfindungsgemäß bevorzugten Plasmaerzeugung durch Koronaentladung (dielektrische Barrierenentladung) bildet sich zwischen zwei leitenden Elektroden beim Anlegen einer Wechselspannung hinreichender Größe eine Vielzahl lokalisierter Mikroentladungen aus, die eine sehr kurze Zeitdauer im Bereich von 10"^ sec haben. Bei diesen Mikroentladungen werden Gase durch elektronische Anregung, Ionisation und Dissoziation aktiviert und chemisch reaktive Spezies gebildet. Dabei wird die mittlere Gastemperatur im Entladungsspalt um wenige Grad Kelvin erhöht. Die Entladung bleibt also kalt und ist daher für das Bonden von Halbleitersubstraten sehr gut geeignet. Besonders vorteilhaft ist die Erfindung für das Direktverbinden (direct bonding) von Substraten, da dabei sehr saubere und glatte Oberflächen benötigt werden. Durch die Erfindung kann die Oberflächenenergie bzw. -Spannung erhöht werden. Dadurch kann bei dem erforderlichen Ausheilen (Annealing) bei gleicher Bondfestigkeit mit deutlich geringeren Temperaturen ausgekommen werden. Bei diesem Ausheilen werden die relativ schwachen Van-der-Waals Bindungen in kovalente (chemische) Bindungen umgewandelt.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein allgemeines Prinzipbild einer Plasmabehandlung der Oberfläche eines Halbleitersubstrats, Fig. 2 das Prinzipbild einer Vorrichtung zur Vorbehandlung von Bondflächen, die in der Erfindung eingesetzt werden kann,
Fig. 3 das Prinzipbild einer Vorrichtung zur simultanen Vorbehandlung von Bondflächen in zwei parallelen Ebenen, die in der Erfindung eingesetzt werden kann,
Fig.4 den Effekt verschiedener Plasmagase auf die Erhöhung der Verbindungsenergie, und
Fig. 5 den Effekt des Gasflusses auf die Erhöhung der Verbindungsenergie.
Figur 1 zeigt einen Querschnitt durch ein Halbleitersubstrat 1 auf einem Träger 4, auf das ein Plasma 2 einwirkt. Das Plasma 2 wird unterhalb einer Hochspannungselektrode 3 aus einem Prozeßgas erzeugt. Der Träger 4 für das Halbeitersubstrat dient als Gegenelektrode. Es ist auch möglich, einen Aufbau ohne Gegenelektrode zu verwenden. In diesem Fall kann das zu behandelnde Substrat elektrisch isoliert werden. Dies wird auch als „floated plasma" bezeichnet. Die Plasmaeinwirkung auf die Oberfläche la des Halbleitersubstrats 1 kann durch Bewegung der Gegenelektrode 3 in horizontaler Richtung als auch durch Bewegung des Trägers 4 in horizontaler Richtung gegenüber dem Plasma 2 erfolgen. Möglich ist aber auch eine gleichzeitige Bewegung des Plasmas und des Trägers 4 mit dem Halbleitersubstrat in entgegengesetzte Richtungen. Diese Bewegungen werden durch die Doppelpfeile A angezeigt. Der Abstand d zwischen der Halbleitersubstratoberfläche la und der Hochspannungselektrode 3 kann durch Bewegung der Hochspannungselektrode 3 oder des Trägers 4 in Doppelpfeilrichtung B eingestellt werden. Es wurde gefunden, daß ein Durchlauf (Scan) des Plasmas über die Oberfläche la des Halbleitersubstrats ausreichend ist. Mit der Anzahl der Scans nimmt die Bondenergie wieder ab. Das bedeutet, daß durch die Plasmabehandlung eine Modifizierung der Oberfläche erreicht wird.
Figur 2 zeigt eine Realisierung des in Figur 1 dargestellten Prinzips mittels einer dielektrischen Barrierenentladung in Luft, wie sie bei der Erfindung zum Einsatz kommen kann. In Figur 2 ist gegenüber der Oberfläche la des Halbleitersubstrats 1, das sich auf dem Träger 4 befindet, eine zweiteilige Hochspannungselektrode 31, 32 mit einer dielektrischen Barrierenschicht 31a bzw. 32a angeordnet; diese Elektroden 31, 32 sind an einen Hochspannungsgenerator 7 angeschlossen. Der Träger 4 ist als Gegenelektrode mit Erde verbunden. Zwischen den Hochspannungselektroden 31, 32 und der Oberfläche la des Halbleitersubstrats erfolgt eine Mikroentladung 8, die aus einem Prozeßgas 5, das aus einem Prozeßgasbehälter 6 durch das elektrische Feld zwischen den Hochspannungselektrode 31, 32 und der Oberfläche la fließt, ein Plasma 2 erzeugt. Das Plasma wird durch Mikroentladungen mit einer Dauer von 1-10 ns gebildet. Die Entladungswege haben einen Radius von 0,1 mm. Die während einer Mikroentladung transportierte Ladung beträgt 100 bis 1000 pC. Die Stromdichte beträgt 100 bis 1000 A/cm2. Die Elektronendichte ist 1014 bis 1015 cm"3 und die durchschnittliche Elektronenenergie beträgt 1 bis 10 eV. Während der Plasmabehandlung wird der Gasfluß aufrechterhalten, um eine Verdünnung des Prozeßgases durch Einfließen von Luft aus der Umgebung zu verhindern. Vorzugsweise wird der Abstand d zwischen der Hochspannungselektroden 31, 32 und der Halbleitersubstratoberfläche la auf etwa 0,5 bis 2 mm eingestellt. Die Elektrodenspannung beträgt vorzugsweise 10 bis 20 kV und die Frequenz wird vorzugsweise von 20 bis 60 kHZ eingestellt. Das Plasma kann jedoch auch mit höheren Frequenzen bis zu etwa 14 MHz angeregt werden. Als Prozeßgase können O2 oder O3 verwendet werden, wenn z.B. die Oberfläche la gereinigt oder mit einer Isolatorschicht bedeckt werden soll. Für den Schichtabtrag, der Rauhigkeiten beseitigen und Oberflächenatome chemisch aktivieren soll, ist eine Plasmabehandlung mit einem Inertgas z.B. Stickstoff oder Argon, vorteilhaft. Als Prozeßgase können weiterhin CO2, NH3, Formiergas, HC1 oder Gemische der genannten Gase verwendet werden.
In Figur 3 ist eine alternative Realisierung des in Figur 1 gezeigten Prinzips dargestellt. In dieser Ausführungsform sind zwei Halbleitersubstrate 1, 1' parallel zueinander auf Trägern 4, 4' angeordnet. Die beiden Halbleitersubstrate 1, 1' können so synchron mit dem gleichen Elektrodensystem 31, 32 behandelt werden.
Es wurde gefunden, daß mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bei der erforderlichen Ausheilung nach dem Bonden bereits bei einer Ausheiltemperatur von 200°C ausreichende Verbindungsenergien von σ > 2 J/m2 erreicht werden. Dieser Wert ergibt sich bereits bei niedrigen Ausheilzeiten von 1-5 Stunden.
In Figur 4 wird die Wirkung verschiedener Plasmagase auf die Verbindungsenergie σ in Abhängigkeit der Ausheilzeit t bei 200°C und nach einem Scan dargestellt. Untersucht wird synthetische Luft, reiner Sauerstoff und reiner Stickstoff. Als Bezug wird normale Luft angegeben. Es ist zu erkennen, daß bei einem Plasma aus reinem Stickstoff die höchsten Bindungsenergien in der kürzesten Zeit erreicht werden.
Figur 5 zeigt den Einfluß des Gasflusses auf die Erhöhung der Verbindungsenergie σ in Abhängigkeit der Ausheilzeit t bei 200°C nach einem Scan. Untersucht wurde synthetische Luft mit einer Zusammensetzung aus Stickstoff und Sauerstoff und normale Luft als Bezug. Die Gasflüsse von Stickstoff und Sauerstoff standen in einem Verhältnis von 16 zu 4 slm (Liter pro Minute bei 20°C und einer Atmosphäre) bzw. 40 zu 10 slm. Es ist zu erkennen, daß die Erhöhung des Gasflusses zu den besten Verbindungsenergien in der kürzesten Zeit führt. Der Gasfluß ist also von entscheidender Bedeutung für das erfindungsgemäße Verfahren. Hohe Gasflüsse erhöhen wesentlich die Bondenergie.
Durch die erfindungsgemäße Plasmabehandlung wird auch die Entstehung von Grenzflächendefekten (Bläschen) verhindert. Nach der Behandlung mit einem Plasma aus reinem Stickstoff oder synthetischer Luft wurden auch nach einer Ausheilung von 20 Stunden bei 200°C IR-mikroskopisch keine erkennbaren Defekte festgestellt. ' Jedoch wurden bei gleicher Wärmebehandlung nach Behandlung mit einem Sauerstoffplasma noch Defekte festgestellt. Generell steigt bei höheren Temperaturen einer Wärmebehandlung die Wahrscheinlichkeit der Erzeugung von Grenzflächendefekten. Da jedoch das erfindungsgemäße Verfahren nur kurze Wärmebehandlungszeiten zum Erreichen einer hohen Grenzflächenenergie erfordert, sind bei dem erfindungsgemäßen Verfahren Grenzflächendefekte unkritisch.
Die erfindungsgemäße Plasmabehandlungsvorrichtung gemäß Figur 2 wird gemäß der Erfindung mit einer vorzugsweise direkt nachgeschalteten Vorrichtung zum Bonden der Halbleitersubstrate kombiniert. Das Bonden der Substrate erfolgt bevorzugt durch Direktverbinden (d.h. ohne Zwischenschicht). Es kann aber auch nach einer Reaktion des Plasmas mit der Oberfläche des Halbleitersubstrats eine Zwischenschicht aufgewachsen werden, wobei das Bonden z.B. mittels eines Klebers erfolgt. Weiterhin können Oberflächen von Substraten behandelt werden, die bereits eine Kleber-, Lot- oder Metallschicht aufweisen. Das geschieht z.B. zum Reinigen, Abtragen von nativen Oxiden oder zur Aktivierung der Schichten. Das Bonden der Substrate kann auch über teilweise oder vollständig auf den Substraten aufgebrachte Metallschichten, vorzugsweise Kupfer erfolgen. Die Substrate werden dann eutektisch gebondet. Es wurde gefunden, daß das erfindungsgemäße Plasma unter Atmosphärendruck (AP) Kupferoxid, das sich auf Kupferoberflächen an normaler Luft schnell bildet, von der Oberfläche der Kupferschicht auf dem Substrat entfernt. Dadurch erhöht sich die Bondfestigkeit beim nachfolgenden Bonden.
Vorzugsweise kommt die Erfindung beim SOI (Silicon On Isolator) -Bonding zum Einsatz.
Die erfindungsgemäße Plasmabehandlungsvorrichtung kann sich in Prozeßrichtung hinter einer Vorrichtung für die naßchemische Behandlung der Substrate befinden. Es können auch mehrere aufeinanderfolgende Vorrichtungen für die naßchemische und die Plasmabehandlung vorgesehen sein, wobei die Reihenfolge der Vorrichtungen austauschbar ist. Die Vorrichtung zur Plasmabehandlung kann mit einer Vorrichtung zur naßchemischen Behandlung und einer Vorrichtung zum Bonden in einer integralen Einheit zusammengefaßt sein. Die genannten Vorrichtungen können jedoch auch räumlich getrennt voneinander innerhalb einer entsprechenden Zusammenfassung (Bondcluster) angeordnet sein. Bevorzugt werden mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung Substrate mit einem Durchmesser von 300 mm plasmabehandelt.
Die erfindungsgemäße vielseitige Anordnung der Plasmabehandlungsvorrichtung ergibt sich daraus, daß das Plasma bei Atmosphärendruck erzeugt und aufrechterhalten wird und somit auf eine Vakuumapparatur verzichtet werden kann. Damit ist ein flexibler Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, wobei Produktionskosten und -Zeiten eingespart werden können.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zum Verbinden von mindestens zwei Substraten (1, 1') durch Bonden nach einer Vorbehandlung mindestens einer der Bondflächen, dadurch gekennzeichnet dass zur Vorbehandlung auf die Bondfläche ein Plasma (2) bei Atmosphärendruck einwirkt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Plasma (2) durch eine Koronaentladung (8) erzeugt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Bondfläche (la) durch das Plasma (2) gereinigt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Bondfläche (la) durch das Plasma (2) chemisch aktiviert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei durch das Plasma (2) eine Schicht der Bondfläche (la) abgetragen wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei durch das Plasma (2) eine Schicht auf die Bondfläche (la) aufgewachsen wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Substrate (1, 1') beim Bonden direkt miteinander verbunden werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Substrate (1, 1') über Metallschichten, die die Substrate ganz oder teilweise bedecken, miteinander verbunden werden.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Metallschichten aus Kupfer bestehen.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Plasmabehandlung vor einer naßchemischen Reinigung der Substrate (1, 1') erfolgt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Plasmabehandlung nach einer naßchemischen Reinigung der Substrate (1, 1') erfolgt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Plasmabehandlung als letzter Prozeßschritt vor dem Bonden erfolgt.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Plasmabehandlung und die naßchemische Reinigung mehrfach erfolgen.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Plasma (2) unter Verwendung von O2- oder 03-Gas oder Inertgasen erzeugt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Plasma (2) unter Verwendung von N2-Gas erzeugt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei als Prozeßgas CO2, NH3, Formiergas oder HC1, oder Gasgemische hiervon verwendet werden.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei das Plasma (2) über die Bondfläche (la) des Substrats (1, 1') bewegt wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei die Bondfläche (la) des Substrats (1, 1') durch das Plasma (2) bewegt wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei das Plasma (2) und die Bondfläche (la) des Substrats (1, 1') gegeneinander bewegt werden.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei nur ein Durchlauf des Plasmas (2) über die Bondfläche (la) erfolgt.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei das Plasma (2) gleichzeitig auf die Bondflächen (la) mehrerer Substrate (1, 1') einwirkt.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 21 zur Vorbehandlung beim Bonden von Halbleitersubstraten oder beim SOI-Bonden.
23. Vorrichtung zur Vorbehandlung der Oberflächen (Bondflächen la) von Substraten (1, 1') vor dem Bonden mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines Plasmas (2) durch eine Koronaentladung (8) zwischen einer Hochspannungselektrode (3; 31, 32) und einer Gegenelektrode und mit einem Träger (4, 4') zur Anordnung mindestens eines Substrats (1, 1') in dem Plasma.
24. Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei der Träger (4, 4') als Gegenelektrode ausgebildet ist.
25. Vorrichtung zur Vorbehandlung der Oberflächen (Bondflächen la) von Substraten (1, 1') vor dem Bonden mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines Plasmas (2) durch eine Koronaentladung (8) mit einer Hochspannungselektrode (3; 31, 32) und mit einem Träger (4, 4'), wobei mindestens ein Substrat (1, 1') auf dem Träger (4, 4') in dem Plasma angeordnet ist.
26. Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei das Substrat (1, 1') auf dem Träger (4, 4') elektrisch isoliert angeordnet ist.
27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 26, wobei die Hochspannungselektrode (3) und der Träger (4, 4') relativ zueinander bewegbar sind.
28. Vorrichtung nach Anspruch 27, wobei die Hochspannungselektrode (3) und der Träger (4, 4') gegeneinander in horizontaler (A) und in vertikaler (B) Richtung bewegbar sind.
29. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 28, wobei der Abstand (d) zwischen der Hochspannungselektrode (3) und der Oberfläche (la) des Substrats (1) 0,2 bis 3 mm vorzugsweise 0,5 bis 2 mm beträgt.
30. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 29, wobei die Koronaentladung bei einer Elektrodenspannung von 10 bis 20 kV und bei einer Frequenz von 20 kHz bis 14 MHz erfolgt.
31. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 30 mit einer Einrichtung für die Behandlung von Substraten bis zu 300 mm Durchmesser.
32. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 31, wobei mindestens zwei Substrate (1, 1') in einer Ebene Hegend behandelt werden.
33. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 31, wobei mindestens zwei Substrate (1, 1') synchron in zwei parallelen Ebenen liegend behandelt werden.
34. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 33 zum Vorbehandeln beim Bonden von Halbleitersubstraten.
35. Verwendung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 33 zum Vorbehandeln beim SOI-Bonden.
36. Anordnung zum Bonden von Substraten mit mindestens einer vorgeschalteten Vorrichtung nach einem der Ansprüche 23 bis 33.
37. Anordnung nach Anspruch 36 mit mindestens einer vorgeschalteten Vorrichtung zur naßchemischen Reinigung.
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