[发明专利]直接结合方法中的氮-等离子体表面处理

说明书

技术领域

本发明涉及两块各自在其表面包含硅或氧化硅薄层的板的直接结合(bonding)方法。

背景技术

通过分子粘附或直接结合进行结合的原理是基于两个表面之间的直接接触，而不使用特殊的材料例如粘合剂、蜡、低熔融温度金属等。被设计为接触在一起的表面可以是亲水的或疏水的。

疏水表面可例如为两块硅晶片(或基材)的不含氧化硅的自由表面，而亲水表面可例如为两块硅晶片的各自包含氧化硅薄层的自由表面。

分子结合方法还要求待结合的表面充分光滑、没有颗粒或污染物，呈现出合适的表面化学和彼此充分地接近以使得能够引发接触。在这种情况下，两个表面之间的吸引力高到足以引起分子结合。

结合过程通常在表面的化学清洁之后在环境温度下和在环境压力下进行。然而，常常进行后续的热处理，例如在约1000℃的温度下的热处理，以增强结合能。然而，在非常大量的应用中，在这样的温度下的热处理步骤是不能允许的。

已经提出了不需要高温热处理的结合方法。它们通常包括表面活化步骤。

例如，P.Amirfeiz等在文章“Formation of Silicon structures by plasma-activated wafer bonding”(Journal of the Electrochemical Society，147(7)2693-2698)中研究了硅、氧化硅和晶体石英通过氧等离子体或通过氩等离子体进行的活化对实现在环境温度下的直接结合的影响。结合的通过氧等离子体或氩等离子体活化的结构体呈现出可与在结合之前通过常规的湿法进行活化并且在接触之后在高温(600℃～800℃)下进行热处理的结合结构体所获得的表面能相比的高的表面能。通过RIE/ICP(反应性离子蚀刻/电感耦合等离子体)型设备进行暴露于氧等离子体或氩等离子体。

在T.Suni等的文章“Effects of Plasma Activation on Hydrophilic Bonding of Si and SiO₂”(Journal of the Electrochemical Society，149(6)G348-G651(2002))中，反应性离子蚀刻模式(也称作RIE)与通过氮、氩或氧等离子体进行的活化联合使用以进行硅晶片的低温结合。在活化期间，在硅晶片与接地(ground)之间测得在125V与280V之间变化的极化电压。该电压的存在造成等离子体的带电物种朝所述晶片的方向的加速和这些带电物种对晶片表面的轰击。此外，在活化处理之后且在结合之前，在RCA-1型溶液(NH₃∶H₂O₂∶H₂O，70℃)中和/或在去离子水中清洁晶片，并将其干燥。在它们已经接触之后，对结合的结构体在100℃的温度下进行热处理2小时。该文章中报道的结果显示，根据包括在先的与反应性离子蚀刻联用的等离子体处理步骤的方法结合的结构体的表面能高于在化学清洁之后直接结合的结构体的表面能。

在专利US5503704中，通过如下获得两个表面的结合：在两个表面中的一个表面上形成氮化物层以使该表面是亲水的并且在低温下是反应性的。当表面材料为基于非氮的材料，例如为硅时，通过在RCA型的标准清洁、用去离子水清洗和干燥之后进行NH₃等离子体增强化学气相沉积(PECVD)而形成氮化物层。然后使以这种方式处理的材料与另一亲水且反应性的表面接触，然后整个在约300℃的温度下进行热处理。

虽然以上提及的活化技术使得能够获得内聚能(cohesion energies)至少与高温结合方法的内聚能相等的低温结合方法，但是它们未使得能够获得无缺陷的分子结合界面。特别地，专利US5503704提到了基材中由Si₃N₄膜的沉积产生的缺陷的存在。

发明内容

本发明的目的是提供将两块各自在其表面包含氧化硅或硅薄层的板直接结合的方法，以便能够获得与根据现有技术的结合方法相比呈现出显著减少数量的缺陷的结合表面，有利地获得无缺陷的表面，特别是不论施加到由两块结合的板所形成的结构体上的温度如何(特别地包括在环境温度与1300℃之间)。