用于结合基板的装置及方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种根据权利要求1所述的一种用于在第一基板的结合侧与第二基板的结合侧之间生产能够导电的直接结合的装置，及根据权利要求7所述的一种对应的方法。
[0002]尤其在结合金属的或金属化的基板、具有金属的表面的基板、半导体基板，或复合体半导体基板时，因为待结合的基板的结合侧的氧化阻碍结合处理，所以其发挥重要的作用。氧化物阻止或减少构造机械和/或电上高质量的接触。由于较长加热及冷却时间，尤其与此相关联的是生产率下降；且结合期间温度越高或必须越高，则通过温差的膨胀对基板相对于彼此的对准或调整精确度的影响越大。此外，某些MEMS(Micro-Electro_MechanicalSystems微电子机械系统)和/或半导体组件(例如，诸如微芯片或内存芯片)不容许高处理温度。
【背景技术】
[0003]在现有技术中，主要应用湿式蚀刻处理用于移除在上文提及的基板上形成的且因此阻止或至少阻碍多个基板通过结合处理的最佳结合的氧化物。在湿式蚀刻处理中，主要使用氢氟酸或含氢氟酸的混合物。在还原氧化物后，出现通过氢原子终止的表面。这样的疏水表面适用于产生所谓预结合(英语:pre-bonds)。然而，如果两个晶片要永久彼此连接，则必须在高温下加热处理晶片堆栈，由此从结合接口移除通过还原处理产生且终止基板的表面的氢，并且能够在两个基板表面(尤其硅表面)之间形成永久连接。在表面进行接触之后加热处理基板堆栈。在接近700° C的温度下(例如)加热处理硅晶片以确保这样的永久连接。这种方法尤其用以产生多层金属、半导体、玻璃，或陶瓷复合体。特别重要的应用涉及产生光电的多层电池及光子晶体，尤其由硅制成的光子晶体。
[0004]在产生多层电池中的主要限制之一是各个半导体材料的晶格结构在其大小及形状方面的不兼容性。在通过层相互的直接外延生长产生各个层时，这导致通过此处理产生的半导体层中的缺陷。这些缺陷损害产生的层的质量及尤其能够被实现用于将光转换成电能的效率。此效率亦系指量子效率(英语:quantum efficiency)且针对太阳能电池限定可通过光子处理使用的电荷载体对一特定波长的经吸收光子的量的比例。在实践中，自此出现关于下列参数的约束:
a)结构中的可实现的主动层的数目。即，由于上文描述的问题，目前限制于两层或最大三层。
[0005]优化关于一最佳波长范围的各个层。在实践中，因为始终必须关于晶格结构的兼容性进行折衷，所以目前不可能关于最佳波长范围及与之相关联的自光转换成电能的转换特性完全自由地优化各个层。
[0006]使用有利的材料:针对某些波长期望使用例如硅或锗，因为这些材料将容许效率与成本之间的理想的折衷。然而，使用这些材料常常是不可能的，因为晶格结构与用于电池中的其他结构不够兼容。
[0007]在后续结合过程之前，常常使用氢氟酸执行氧化物处理，特别是氧化物移除。在此，在氧化物移除之后可发生表面的污染且尤其氧化物的再生长。
[0008]在这方面，另外的问题是，氧化物移除与基板的进一步加工之间的不同的等待时间导致结合的基板堆栈的不同的处理结果。
[0009]迄今为止的方法的另外的缺点在于，必须对待蚀刻的氧化物适用蚀刻处理。因此，某些情况下对于不同半导体材料还需要不同的蚀刻化学品。
[0010]此外，某些情况下关于直到进一步加工的等待时间、处理环境条件的种类(例如，惰性气氛、无02，且必要时也无水分)的处理要求根据材料也是不同的。为此原因，用于结合由不同材料构成的不同基板的结合系统结果为相当复杂。附加地，因为由于各种材料的不同要求，一旦将新材料经引入至制造中，即可引起大量处理发展消耗。
[0011]除已提及的化学处理之外的物理处理表示用于氧化物移除的另外的可能方案。用于氧化物移除的最重要物理处理之一为溅射。溅射被定义为基板的表面处的原子通过经电离且由电和/或磁场加速的溅射气体的经电离原子的碰撞处理的移除。
[0012]然而，在溅射中存在以下不利情况，即处理固定地产生粒子，因为其在于借助于物理处理从表面移除材料的处理的本质。该材料能够被沉积在处理腔室的不同的位置中且要么可通过升华自这些位置析出至待结合的基板上或可直接继而再升华到基板上。这些粒子是最佳(即，无空隙)结合结果的障碍。此外，溅射处理需要非常高的离子能量从而能够自基板的表面移除物质。这导致离子部分地被植入基板中，并且由此损害表面附近的层。此经损害层可通常为数个rim厚，通常甚至5 nm至10 nm及更厚。此损害可负面影响关于电及光学参数的结合连接的特性，从而所述损害是不希望的且在实践中是一个问题。
[0013]制造多层电池中的另一基本问题是用于许多处理典型的热加工。在100°C与700°C之间的温度情况下进行热加工。在此这样的高温下，使用的材料机械上强烈地受到负荷。在高温差的情况下，尤其通过热应力判定机械负荷。热应力取决于热膨胀系数及温差。如果材料因其沿着结合接口焊接在一起而不能够相互自由地膨胀，则在温差中的热膨胀系数的差异导致对应高热应力。因为相当常常通过其他边界条件给定材料选择，所以能够仅仅通过以下方式避免热应力，即可在处理步骤内的温差尽可能小。
[0014]此处，还要提及恰好在材料组合中结合处理应提供最大优点的材料组合(因为具有不同晶格参数和/或不同热膨胀系数的材料的整合应实现)与热加工处理最不兼容，因为恰好此处通常出现关于热膨胀的最大差异。
【发明内容】
[0015]因此，本发明的目的是说明一种用于结合的装置及方法，通过其可更有效且质量上更高品质地执行结合过程。
[0016]以技术方案I及7的特征解决该目的。从属权利要求中说明本发明的有利的改进方案。本发明的范畴包含所有从说明书、权利要求书和/或附图中说明特征的至少两个的组合。在说明的值范围中，位于经提及的边界内的值亦应被公开为边界值限制且应可以以任何组合进行要求。
[0017]本发明说明了用于基板的氧化物层的等离子体加工的系统及方法。在此，根据本发明，等离子体加工可导致氧化物层的完全移除、部分移除，和/或氧化物层的化学计量的改变和/或完全层或至少表面附近层的非晶化。
[0018]尤其地，本发明在此实现氧化物层在等离子体腔室中的就地加工，其中，等离子体由至少一种还原气体(尤其氢)组成。
[0019]通过根据本发明的装置及根据本发明的方法，能够完全在相对大气密封的工作空间或在连接至工作空间的模块中执行氧化物的加工及后续结合过程使得防止氧化物加工之后表面的重新氧化。
[0020]本发明描述能进行下列各项的系统及方法:
(1)在等离子体腔室中借助于还原气体制造具有有目的地经变更的氧化物层的多个基板，
(2)在真空环境中，尤其在高度真空环境中将基板输送至结合模块，及
(3)将基板彼此结合到结合模块中。
[0021 ]更改根据本发明理解如下:
析出期间和/或析出之后氧化物的化学计量的变更，和/或移除已存在氧化物层的特定量，直到期望的、新的氧化物层厚度，或完全移除氧化物层，和/或氧化物层的非晶化。
[0022]这借助于可使基板暴露至含有还原气体的等离子体的装置实现。尤其应用H2与具有至少一种第二气体(尤其惰性气体)混合。使用H2/Ar的混合物证明是优选的变型方案。
[0023]由于氩与氧之间的质量比，H2/Ar的气体混合物是最佳的。比氧重一点的氩原子通过等离子体电离、被加速至待还原的氧化物上，且通过动能使其物理地(尤其机械地)破裂。然后通过氢分子、氢离子或氢基相应地捕获通过此处理释放的氧。接着自表面散发由此产生的热力学相对稳定的水分从而防止反向反应至金属氧化物。氦由于其相当小的质量而不适合。氖原子虽然比氧原子更大，然而仅仅不是必须的。氪及所有其他稀有气体太昂贵且太稀少且因此经济上不值得用于破裂氧化物。
[0024]根据本发明的其他还原气体尤其是:
氧化氮和/或
一氧化碳和/或甲烷和/或氢和/或醋酸蒸汽和/或柠檬酸蒸汽。
[0025]显著地，发现下列各项用作为惰性气体:
氣和/或
氩和/或氦和/或氮和/或二氧化碳。
[0026]在处理腔室中(尤其在真空中)将基板暴露至等离子体。因此，发生氧化物层的更改。更改要么通过氧化物的化学计量的改变和/或通过氧化物层厚度移除至目