本申请是申请号为201480077227.4、申请日为2014年4月1日、发明名称为“用于衬底表面处理的方法及装置”的发明专利申请的分案申请。
本发明涉及用于衬底的衬底表面的表面处理的方法以及装置。
背景技术：
在半导体产业中，不同湿化学蚀刻方法和/或干蚀刻方法用于表面处理，尤其用于表面清洁及表面活化。最显著的，这些协助原生表面氧化物和/或碳化合物的移除。湿化学蚀刻方法与干蚀刻方法之间的显著差异是使用的清洁剂的物理状态。在湿化学蚀刻方法的情况中，使用液体以清洁衬底表面；在干蚀刻方法中，使用气体或等离子体以清洁衬底表面。湿化学蚀刻方法在若干情况中仍是正当的；然而，近年来，其在许多其它领域中已由干蚀刻系统取代。
对于干蚀刻，主要使用等离子体系统或离子溅射系统。
将“等离子体系统”理解为可产生准中性气体(所谓等离子体)的系统。经由在两个电极之间施加电压，过程气体经电离且形成电离、准中性气体(所谓等离子体)。这些系统被称为“电容耦合等离子体”(ccp)等离子体系统。也可设想经由所谓“感应耦合等离子体”(icp)等离子体系统中的磁性装置产生等离子体。在此情况中，使用电磁感应以制造等离子体。此外，仍存在用于产生等离子体的其它方法；此处不详细阐述这些方法。在下文中做出的陈述通常应用至全部等离子体系统，然而，将在ccp等离子体系统的帮助下描述，因为此的构造相对简单。
经由其独特特性，这些离子体作用于优选定位于两个电极的一者之上或附近的衬底的表面上。一般来说，可使用惰性或反应性过程气体。在等离子体系统的情况中，预设两个电极之间的电压、气体组合物及气压。低温等离子体借此在高于临界压力点火。此临界压力相较于高真空腔室中的压力是大的，但小于1巴。低温等离子体主要由氧、氮、惰性气体或更复杂的有机气态化合物构成。这些透过离子冲击物理且透过等离子体中产生的基团化学使衬底表面改变(来源：s.vallon、a.hofrichter等人，journalofadhesionscienceandtechnology，(1996)第10卷，第12期，第1287页)。首要地，将物理改变归于高速度及气体及等离子体原子与衬底表面的原子之间的伴随冲击能。
在另一方面，离子溅射系统具有离子源及加速单元。在离子源中，经由加速单元在衬底表面的方向中电离且加速过程气体。经加速离子形成具有平均直径、对应发散或会聚及能量密度的所谓离子束。当离子的动能大于或至少等于杂质与衬底表面之间的结合能时，加速离子可自衬底表面松开杂质。然而，在此过程中，离子的动能也可影响衬底表面自身。此操纵显现在衬底表面的微结构的改变中，点缺陷的产生中、晶格中的并入离子、塑料变形等。
杂质的移除称为溅射。为了完整，应注意，原子在表面上的分离过程也可称为溅射。然而，在下文中，溅射将仅指原子的移除。
技术问题在于在给定环境条件中，可发生衬底上的杂质(其待移除)与离子之间的反应而不自衬底表面移除杂质。此外，离子通常也与待清洁且定位于待移除的杂质下方的基底材料反应。此导致非均质移除，且因此导致表面粗糙度的增加。
此外，经常发生衬底的表面上的气体及等离子体原子的吸附。
根据当前最先进技术，主要使用以下方法完成(尤其)经由氢移除杂质：
等离子体方法
1.经由氢等离子体照射衬底表面。由此通常经由等离子体而大幅增加表面的温度。一般来说，对于不同材料使用不同等离子体过程。对于input，使用(例如)所谓ecr(电子回旋共振)等离子体(来源：a.j.nelson、s.frigo、d.mancini及r.rosenberg，j.appl.phys.70,5619(1991))。在经由rf(射频)等离子体的氢照射之后在380℃的温度下大约30分钟之后观察自gaas的移除全部表面杂质(来源：s.w.robey及k.sinniah，j.appl.phys.88,2994(2000))。对于cuinse2，描述(例如)透过在200℃的样品温度下使用氢ecr等离子体移除表面氧化物。(来源：a.j.nelson、s.p.frigo及r.rosenberg，j.appl.phys.73,8561(1993))。
2.在氢分子的作用的下，在真空中将衬底表面加热至大于500℃。在gaas的情况下，需要(例如)高达两个小时的清洁时间(来源：de10048374a1)。
3.在真空中使用氢原子加热衬底表面。在gaas的情况下，此优选发生于(例如)350℃与400℃之间的温度范围中。在参考文献中全面详述此方法(来源：y.ide及m.yamada，j.vac.sci.technol.a12,1858(1994)或t.akatsu、a.
离子束方法
透过使用离子束过程的惰性气体(ar、n2、氙、…)移除表面杂质主要是基于纯溅射移除的基础(来源：j.g.c.labanda、s.a.barnett及l.hultman“sputtercleaningandsmootheningofgaas(001)usingglancing-angleionbombardment”，appl.phys.lett.66,3114(1995))。另一方面，使用的反应性气体(h2、o2、n2、cf5)主要是基于过程气体与表面杂质的化学反应及随后移除的反应产物(解吸附、部分热刺激或经由离子冲击刺激)。氢证实为用于移除半导体的表面上的多种表面氧化物及碳杂质的优选过程气体(来源：de10210253a1)。
现有技术已知的表面清洁方法通常用于预处理随后过程的衬底表面。随后过程是(例如)使用光阻剂的涂覆，经由诸如pvd(物理气相沉积)或cvd(化学气相沉积)的气相沉积过程的一或多个原子或分子的沉积。
归因于离子，表面缺陷首要地产生于半导体材料中，该缺陷可严重削弱组件的电功能。此外，在当前最先进技术中，出现的根本问题为等离子体系统及溅射系统总是使衬底表面根本上改变，且通常损害衬底表面。
当等离子体过程或离子溅射过程用于清洁或活化si、sic、石英或3a至5b半导体表面时，(例如)额外损害作为实质上缺点发生于半导体的表面上(例如，粗糙度、金属相的形成、氧化物层生长、薄水膜的形成)。公认地，多数杂质的可验证的有效表面清洁是透过使用等离子体系统而发生；然而，尤其在有机组分的情况下，此清洁方法不足够完全移除有机化合物变得显而易见。
当使用等离子体系统时损害的产生的主要原因本质上为等离子体与半导体表面之间的直接接触以及等离子体组分(例如，离子、基团及高度激发的分子/原子、电子及uv光子)与衬底表面上的原子之间的所得交互作用。具体来说，等离子体的高度激发且因此高度高能粒子或离子或离子溅射系统的粒子或离子高度可能产生衬底表面的不利损害过程，尤其高度敏感半导体表面。
使用氧、氮、惰性气体或更复杂的有机气态化合物产生的低温等离子体透过离子冲击以及透过使用存在于等离子体中的基团的表面反应而使衬底表面改变(来源：k.harth、hibst、h.“surfaceandcoatingstechnology(1993)”，第59卷，第1至3期，第350页)。另外，吸收表面上的气体原子(来源：k.scheerschmidt、d.conrad、a.belov、h.stenzel“uhv-siliconwaferbondingatroomtemperature:moleculardynamicsandexperiment”，proc.4.int.symp.onsemiconductorwaferbonding1997年9月，法国，巴黎，第381页)。
用于在真空中在原子或分子氢的影响下清洁半导体表面的方法的重要缺点为需要高温且温度通常位于400℃与500℃之间(见：de10048374a1)。需要高过程温度以实现氢与杂质之间的有效反应及所得反应产物的部分的解吸附。
用于使用分子和/或原子氢清洁半导体表面的所述当前最先进技术方法的进一步缺点为长过程时间。在分子氢的情况中，这些总计为至少两个小时(见：de10048374a1)。
根据本发明的来自专利说明书de10210253a1的实施例的使用不足够有效，此是因为经由si、sio2、sic石英及微晶玻璃的氢离子透过纯化学过程而移除杂质不导致完全移除。
技术实现要素：
因此本发明的目的为建立一种新方法，该新方法允许移除衬底(尤其半导体)的表面上的化学杂质或破坏性衬底表面层(例如，包含天然氧化物的氧化物、碳及碳化合物)，而于衬底表面上或内不产生额外损害(例如，表面粗糙度增加、化学计量改变及晶格损害)，对于衬底表面具有最少的可能损害。
根据下文提供的方案完成此目的。在说明书、申请专利范围和/或附图中给出的特性的至少两者的全部组合也落于本发明的范畴内。在给定值范围的情况下，位于给定限制内的值也应考虑为边界值且应在任何组合中可申请。根据本发明的用于衬底的衬底表面的表面处理的方法，该方法包括以下步骤：将该衬底表面布置在过程腔室中；使用由离子束源产生且瞄准该衬底表面的离子束冲击该衬底表面以自该衬底表面移除杂质，其中该离子束具有第一成分；以及将第二成分引入至该过程腔室中以结合被移除的杂质，其中衬底样品固持器与所述离子束源的出口开口之间的距离小于100cm。优选地，所述衬底样品固持器与所述离子束源的出口开口之间的距离小于80cm，更优选小于60cm，尤其优选小于40cm。根据本发明的用于衬底的衬底表面的表面处理的装置，其包含：过程腔室，其用于接收该衬底；离子束源，其用于产生具有第一成分且瞄准该衬底表面的离子束以自该衬底表面移除杂质；构件，其用于将第二成分引入至该过程腔室中以结合被移除的杂质，其中衬底样品固持器与所述离子束源的出口开口之间的距离小于100cm。同样优选地，所述衬底样品固持器与所述离子束源的出口开口之间的距离小于80cm，更优选小于60cm，尤其优选小于40cm。
本发明的基本理念是在在过程腔室中使用定向离子束进一步处理之前清除衬底的衬底表面杂质，由此离子束具有第一(尤其为气态)成分及第二(尤其为气态)成分或将工作气体馈入至过程腔室中。第二成分用以结合分离的杂质。优选地，第二成分经引导具有流速通过过程腔室以将杂质携载至过程腔室之外。
根据本发明，尤其气体混合物或纯气体(尤其纯惰性气体)被归类为“第一成分”或“第二成分”下。
换句话说，本发明涉及用于在室温下(rt)或非常低的温度下透过使用特定低能离子溅射和/或成形气体而自不同材料(尤其是半导体材料)移除表面杂质的方法及系统。温度由此是小于500℃、优选小于300℃、更优选小于100℃且最优选为室温。
成形气体优选具有大于20百分比的氢含量。将“成形气体”理解为优选指由氩(ar)及氢(h2)组成的气体混合物或由氮(n2)及氢(h2)组成的气体离子混合物。然而，可设想成形气体仅由单一气体组分(尤其仅由氩或仅由氢)构成。
因此，本发明尤其是关于在最低可能的温度下(优选在室温下)清除衬底表面污染而不损害衬底表面的方法及系统。该方法优选可应用于经济地清洁半导体及半导体结构。优选地，使用根据本发明的系统及方法以预处理用于为随后接合(尤其永久接合)的衬底表面。
优选实施例使用宽带离子束用于表面清洁该衬底表面。
在有利实施例中，未完全完成而是选择性完成表面清洁。此实施例尤其用于光学器件、光电子学及传感器的领域中以纯粹清洁衬底表面的经界定/预定区域。由此透过直接透过聚焦而产生的窄带离子束或透过经由孔径自宽带离子束产生的窄带离子束而发生选择性表面清洁。根据本发明的进一步可能性将是使用对应曝露且化学处理的光阻剂来遮蔽衬底。光阻剂接着充当正或负屏蔽。根据本发明的进一步可能性将是机械阴影屏蔽的使用。
根据本发明的概念尤其是透过离子源(尤其透过宽束离子源)加速第一成分的离子至衬底表面上。另外，使用成形气体(或更优选使用纯氮)作为第二成分冲洗过程腔室。也可设想尤其经由与样品固持器接触的衬底的加热(优选尽可能小)。当使用宽束离子源时，可经由使用低能离子(<1000ev)而移除衬底上的化学污染(原生氧化物、碳、杂质)而无对衬底表面的有害效应。使用宽束离子源的进一步优点在于清洁衬底表面的非常大部分(在极端情况中，整个衬底表面)。
特别来说，低能离子溅射系统的使用成为本发明的基础；此系统射出离子至衬底表面上。优选在宽带离子束中将离子射出至衬底表面上。将“宽带离子束”理解为指其平均直径位于衬底的直径的范围中的离子束。由此，离子束直径与衬底的直径之间的比率尤其大于1/100，优选大于1/10，更优选大于1/2，且最优选等于1。宽带离子束优选覆盖整个衬底表面。
在衬底表面上的离子束的直径小于衬底表面的直径的范围内，将根据本发明尤其发生离子束与衬底表面之间的相对移动以到达待清洁的衬底表面上的全部位置。优选地，经由相对于离子源移动衬底样品固持器而完成相对移动。在此实施例中，可进行衬底表面的特定位置(即，空间解析)清洁。具体来说，此处可设想使用窄带离子束，由此离子束的直径与衬底表面的直径之间的比率经调整至小于1，优选小于1/10，更优选小于1/100，且最优选小于1/1000。比率越小，清洁过程的分辨率越大，但透过于待清洁的衬底上相对移动而清洁对应区域消耗更长时间。可使用光学组件直接经聚焦或使用屏蔽及孔径技术而自宽带离子束产生窄带离子束。光学组件尤其包括电和/或磁透镜且被总结为术语“光学器件”。当使用屏蔽及孔径技术时，可优选使用自动化单元(尤其机器人)以使用不同孔径快速改变屏蔽或光阑。也可设想使用具有对应小横截面的源产生窄带离子束。
不管使用的离子束直径，根据本发明的方面尤其在于与对应成形气体(尤其纯氩气或纯氢气(第二成分))搭配的低能离子溅射系统的使用。成形气体由此被用作过程气体以在离子溅射系统的离子源中产生离子和/或作为过程腔室中的冲洗气体。低能离子溅射系统及对应成形气体的根据本发明的组合确保衬底无杂质，但未经改变或甚至经损害。根据本发明的方面因此在于低能离子确实由离子溅射系统加速至衬底表面上，但离子的能量不足够以导致对于衬底的任何显著改变或损害。损害至多非常小且由深范围指示，在其内衬底的微结构的改变仍然可验证。归因于根据发明的方法及系统的使用，此深度范围尤其小于10μm，优选小于1μm，更优选小于100nm，最优选小于15nm，甚至更优选小于7nm，甚至更优选小于3nm，更优选小于1.5nm，且更优选等于零。因此，在理想情况中，完全无起因于离子冲击的损害。
具体经调整至杂质和/或衬底表面的第一成分(尤其成形气体)与杂质的经溅射原子/分子反应且根据本发明由此防止其再沉积回至衬底表面上。如此形成(且由第一成分结合)的化合物优选由真空系统吸除或由过程腔室中的陷阱结合使得防止其再一次沉积于衬底表面上。透过过程腔室使用第二成分(尤其成形气体、优选在离子源中电离的相同成形气体)的额外冲洗，根据本发明的过程可经最佳化且加速。运用特定优势，可使用宽带离子束以执行完全清洁。
根据本发明的实施例及系统构成移除表面杂质(尤其含有碳的杂质)的有效经济手段。根据本发明的实施例可尤其用于全部类型的衬底表面上，但当用于具有非常低粗糙度的衬底表面上时尤其有效。粗糙度经指定为平均粗糙度、均方粗糙度或平均化粗糙度。一般来说，对于相同量测截面或经量测表面确定为平均粗糙度、均方粗糙度及平均化粗糙度的值彼此不同，但位于相同范围中。因此将对于粗糙度的下列值范围理解为关于平均粗糙度、均方粗糙度或平均化粗糙度的值。根据本发明，粗糙度尤其小于100μm，优选小于10μm，更优选小于1μm，最优选小于100nm，且最优选小于10nm。根据本发明的实施例尤其也适合于清洁在其上制造光学组件的衬底。此外，也可清洁具有具相对复杂的表面构形的功能组件(例如绕射光栅、菲涅耳透镜、mem装置及用于固持led的腔)的衬底。
同时，选择足够低的离子动能防止半导体材料中的损害的产生。
在根据本发明的第一实施例中，根据本发明的系统包括具有考夫曼类型的额外相关联的宽束离子源或rf宽离子源的至少一个高真空腔室(来源：k.otte.a.schindler、f.bigl及h.schlemm，rev.sci.instrum.，69,1499(1998))。宽带离子源的直径是在10mm与1000mm之间，优选在20mm与800mm之间，更优选在30mm与600mm之间，且最优选在40mm与400mm之间。
根据实施例，根据本发明的离子系统可被完全抽空。此类型的过程腔室的抽空尤其发生在工作气体或第二成分的引入之前。离子系统可经抽空至小于1巴、优选小于10-3毫巴、更优选小于10-5毫巴，最优选小于10-7毫巴，且最佳小于10-8毫巴的压力。在抽空之后，使用工作气体冲洗离子系统。发生此冲洗直到达到工作压力。
由此，离子腔室中的工作压力尤其位于10-8毫巴与1巴之间，优选位于10-6毫巴与1巴之间，更优选位于10-6毫巴与1毫巴之间，且最优选位于10-5毫巴与1毫巴之间。
第二成分或工作气体的工作压力尤其位于1x10-3毫巴与8x10-4毫巴之间。自1至100sccm/min(“标准cm3/min”＝“cm3/min，在标准条件下”)的气体混合物(氩与氢)、(氮与氢)或纯氢的经控制气体流经引入至用于清洁衬底表面的宽束离子源。在特定实施例中，使用氢(尤其纯氢)。
在第一特定优选实施例中，衬底样品固持器经安装且固定于桌台上，该桌台具有彼此按法线布置的至少一个旋转自由度、优选至少两个旋转自由度，最优选至少三个旋转自由度。
在第二优选实施例中，衬底样品固持器经安装且固定于具有多个平移及旋转自由度的桌台上。桌台可至少沿着x及垂直y方向移动。优选地，桌台也具有在垂直于x及y方向运行的z方向中的自由度。在尤其优选实施例中，桌台具有甚至更多(尤其恰好三个)旋转自由度。由此可在过程腔室内往全部方向移动且对准衬底样品固持器。离子的入射角经定义为离子束(更精确地，离子束的中心轴或对称轴)与至衬底表面上的法线之间的角度。离子的入射角可自由调整于0°(垂直入射)与90°(平行入射至衬底表面)之间。离子的入射角尤其小于90°、优选小于70°、更优选小于50°，最优选小于30°，且最佳等于0°。由于离子源相对于过程腔室优选静态固定，所以经由旋转衬底，尤其经由倾斜衬底样品固持器而调整离子的入射角。根据本发明，可设想可移动离子源(若非优选)；在此情况中，将经由移动离子源而调整离子的对应入射角。
归因于使用特别宽带离子源及事实上使用此类型的离子源可相对同时使用离子照射衬底的整个表面，在特定实施例中，静态衬底样品固持器和/或桌台也是可能性。
衬底样品固持器与离子源的出口开口之间的距离尤其小于100cm，优选小于80cm，更优选小于60cm，且最优选小于40cm。在非常特殊实施例中，可经由衬底至离子源上的出口开口的距离搭配经正确调整的成形气体密度而调整衬底表面上的离子的能量。为了此目的，提供量测设备以量测距离。
可在清洁过程期间经由至少一个加热组件(尤其多个加热组件)将衬底样品固持器加热至0℃与500℃之间的温度。衬底温度(尤其搭配温度传感器)经设定于0℃与500℃之间，优选于0℃与400℃之间，更优选于0℃与300℃之间，最优选于0℃与200℃之间，且最佳于0℃与250℃之间。
优选可经由计算机和/或微控制器和/或韧体和/或对应软件控制衬底样品固持器。
特定优选地，开始位置可经编程使得衬底样品固持器可完全自动化扫描衬底表面的给定预定区域。经由如此做，可在推动按钮时保存且重新叫用最佳扫描技术。此选项首要地在使用窄带离子源时很有用，以能够到达待清洁的衬底表面的全部位置。根据本发明，当使用宽带离子源时，衬底样品固持器在离子辐射期间的尤其线性和/或旋转偏移可帮助均化效应。首要地，高频率线性及旋转移动在此情况中是有利的。由此，衬底样品固持器的频率(因此衬底样品固持器每秒在任意方向中进行的震荡的量)尤其大于1/100，优选大于1/10，更优选大于1，最优选大于10，且最佳大于100。衬底固持器每分钟的旋转数目(每分钟转数)大于1/10、更优选大于1，最优选大于10，且最佳大于100。
离子源
根据本发明优选使用的离子源的内部结构粗略地对应于考夫曼类型。差异尤其存在于提取格栅系统中。自等离子体腔室提取的离子是经由施加hf交变磁场(20mhz)而在额外格栅系统中分离。由此总透射比粗略是<20％。其对应于1至100μa/cm2的离子电流密度。对于某些使用(对于其可使用较大电流密度而无质量分离)，可使用所谓is模式(离子源模式)。
在rah模式中，除了防止离子束中的杂质之外，离子源允许锁定目标选择具有某些电荷状态的特定离子类型。其缺点是较小离子能ev及较低离子电流密度(在非质量分离is模式中eion<800ev且jion<500μa/cm2或在质量分离rah模式中eion<500ev且jion<50μa/cm2)。若需离子源的功能性的更确切描述，请查阅相对应文献(来源：k.otte.a.schindler、f.bigl及h.schlemm，rev.sci.instrum.，69,1499(1998))。
根据本发明，根据实施例，离子电流自源的离开后立即显露10-5μa/cm2与105μa/cm2之间、优选在10-3μa/cm2与103μa/cm2之间、且更优选在1μa/cm2与500μa/cm2之间的离子电流密度。衬底表面上的对应离子电流密度优选等于离子电流密度。然而，一般来说，故意和/或意外衰减尤其归因于离子电流的发散而发生。衬底表面处的离子电流的离子电流密度位于10-5μa/cm2与105μa/cm2之间，优选位于10-3μa/cm2与103μa/cm2之间，更优选位于1μa/cm2与500μa/cm2之间。
工作气体(第一和/或第二成分)
尤其以下原子或分子类型被用作工作气体：
·成形气体fg(氩 氢)和/或
·成形气体rrg(氢 氩)和/或
·成形气体nfg(氩 氮)和/或
·氢，尤其纯氢，和/或
·氩，尤其纯氩。
根据本发明的系统
在此段落中，描述用于经由成形气体rfgx(氢含量100％至50％，其中氩自0％至50％)清洁衬底表面的方法。根据本发明的系统包括离子束源及具有选用加热组件的衬底样品固持器。衬底固定于衬底样品固持器上。为了操作离子源，引入经控制量的成形气体。
气体流尤其经设定于0.001与100000sccm/min之间，优选于0.01与10000sccm/min之间，更优选于0.1与1000sccm/min之间，且最优选于1与100sccm/min之间。过程腔室中的压力取决于经使用的气体类型以及经使用的泵系统；不管此，过程腔室中的压力经设定于10-8毫巴与1巴之间，优选于10-7毫巴与10-2巴之间，且更优选于10-6毫巴与10-3巴之间。离子源与衬底表面之间的电位差尤其经设定于1v与5000v之间、优选在30v与2500v之间，且最优选在50v与800v之间。衬底上的离子束电流密度尤其位于0.001与5000μa/cm2之间，优选于0.01与2500μa/cm2之间，更优选于0.1与1000μa/cm2之间，且最优选于1与500μa/cm2之间的范围中。优选地，使用小于50°、优选小于40°、更优选小于30°、且最优选小于22°的离子的入射角。衬底表面的曝露时间及加热尤其取决于经使用的半导体材料的类型及表面上的污染层的厚度。自衬底至离子源的距离尤其经设定于1与100cm之间，优选于10与80cm之间，更优选于20与50cm之间，且最优选于约30cm处(自离子源的出口开口量测)。衬底表面的加热至特定温度也取决于经使用的半导体材料的类型。氢的钝化效应通常且在最简单的情况中由以下化学反应描述(来源：a.j.pearton及j.w.lee，第61卷，由n.h.nickel编辑(academicpress,sandiego)第442页(1999))：d h-→{dh}0或a- h →{ah}0，其中d 表示电离施体且a-表示电离受体。
ar e-→ar 2e
在根据本发明的特定实施例中，多个离子源可附接至过程腔室，尤其高真空离子腔室，尤其多于1个，优选多于2个，且更优选多于3个。经由使用多个离子源，可在一方面上升且更佳控制衬底的表面上的离子密度。此外，多个离子源容许使用在生产期间彼此分离存在且仅在离开离子源之后(尤其仅在衬底表面处或衬底表面不久之前)会合的若干不同离子类型。根据本发明的方法可用于清洁全部类型的衬底表面。然而，特别优选地，该方法适合于清洁由以下材料/材料组合制成的衬底表面：
■硅、热氧化硅、石英、微晶玻璃、碳化硅、钼和/或3a至5b半导体材料，
■用于特别使用：
○直接晶片结合期间的均质半导体结构和/或
○gaas/gaas、inp/inp、ge/ge、si/si、si、sio2和/或
○直接晶片结合期间的异质半导体结构和/或
○gaas/inp、gaas/ge、gaas/si、ge/si、ge/inp、inp/si和/或
○金属和/或
○cu、al、w、mo、ag、au、pt、zn、ni、co和/或
○合金和/或
○任意材料，尤其前述材料的组合
在根据本发明清洁衬底表面之后，可将其递送至进一步处理步骤。可设想如同压印过程或微影的微影过程、涂覆过程、蚀刻过程、湿化学清洁过程和/或真空沉积过程。根据本发明优选的真空沉积过程尤其包含：
·物理气相沉积(pvd)
·化学气相沉积(cvd)
·分子束磊晶(mpe)
·等离子体辅助化学气相沉积(pecvd)
·等离子体辅助物理气相沉积(pepvd)
·原子层沉积(ald)
特别优选地，根据本发明的方法适合于清洁预处理中的衬底表面，用于为与第二衬底的第二衬底表面的随后结合过程。首要地，在如同一金属结合过程或熔融结合过程的永久结合过程中，两个衬底表面将都优选具有极高的纯度及平度，以实现两个衬底表面的良好连接。任何类型的杂质决定性地抑制结合过程。将使用/优选使用相同方法清洁第二衬底表面。特别优选地，这是直接结合。在接触根据本发明处理的两个金属表面的情况下，(优选自动化)实现永久结合。使用如同(例如)硅或氧化硅的衬底表面，也可首要地发生所谓预结合，该预结合经由随后热处理过程而转换成永久结合。预结合的产生优选在室温下发生。在尤其优先实施例中，衬底表面如此纯以至于产生永久结合所需的温度可减小至最小值。在最理想的情况中，对于全部类型的衬底表面的永久结合的产生立即实现且无预结合步骤，尤其无额外热处理步骤。
将“直接结合”理解为指两个衬底表面单独透过共价(原子)键的接合。在第一步骤中，发生由凡得瓦力引发的特征为两个衬底表面之间的仍可逆(即，可释放)连接的所谓预结合的形成。若两个衬底表面首要地经由预结合连接至彼此，则至少其不再可能进一步或再次经污染。预结合可随后透过热处理而经转换成永久(即，不可逆)不可释放直接结合。直接结合特征尤其为衬底表面之间的共价键的形成。这些共价键尤其为共价si-si键或si-o键。结果，根据本发明的所述实施例及系统首要地用于其中至少两个衬底必须彼此结合的过程中。特别优选地，根据本发明的系统因此是真空丛集、更优选高真空丛集且最优选极高真空丛集的一部分，且首要地用于与对准系统和/或结合器组合的相同者中以在对应过程中清洁衬底且使其为结合做准备。在提及的真空丛集的一者中的压力尤其小于1巴、优选小于10-1毫巴、更优选小于10-3毫巴、更优选小于10-5毫巴，且最佳小于10-8毫巴。
根据本发明的方法也可用于清洁经由金属结合、尤其扩散结合、共晶结合、阳极结合或另一任意结合而结合在一起的衬底的表面。具体来说，根据本发明的方法因此也可用于清洁金属和/或陶瓷表面。
根据本发明的系统尤其优选用于清洁经由对准器在相同真空丛集内朝向彼此对准且经由结合器结合在一起的衬底的表面。这些对准器可(例如)是如同at405775b、pct/ep2013/062473或pct/ep2013/075831中的对准器，在参考这些的范围中。特别优选地，经由磁性组件而将衬底固定于对准器与结合器之间。在专利申请pct/ep2013/056620中广泛提及此固定装置，在参考这些的范围中。
待清洁的表面的示例
在以下段落中，指定多种最佳参数设定，在提及的衬底表面的情况中，该参数设定导致完全移除杂质(尤其含有碳的杂质及原生氧化物)。
gaas衬底表面
在gaas表面的情况中，根据本发明的过程主要(但不纯粹)用于氧化物移除。
用于gaas表面的工作气体是成形气体混合物rfg1(100％氢)或rfg2(见表1)。由此，离子能位于100ev与500ev之间、优选位于200ev与400ev之间，且最优选恰好位于300ev处。电流密度位于2.5μa/cm2与6.5μa/cm2之间，优选位于3.5μa/cm2与5.5μa/cm2之间，且最优选恰好位于4.5μa/cm2处。衬底表面的温度位于100℃与200℃之间，优选位于125℃与175℃之间，且最优选恰好位于150℃处。衬底表面的处理的持续时间总计为多于10秒，优选多于50秒，更优选多于100秒，且最优选多于300秒。等离子体的离子剂量位于1012离子/平方公分与1016离子/平方公分之间，优选位于1013离子/平方公分与1015离子/平方公分之间，且最优选恰好位于1.5x1014离子/平方公分处。
透过h离子冲击的gaas表面的氧化物移除的机构可能基于氢离子或氢基团与氧化砷的化学反应。所得氧化砷在真空下蒸发。对应化学反应为：
此处，χ是3或5，对应于gaas表面上的砷的不同氧化物。电子来自中和剂或“无电位探针”的传导带(来源：e.petit、f.houzay及j.moison，j.vac.sci.technol.a10,2172(1992))。
当清洁氧化镓时预期对应过程。
ga2o的升华也是用于自衬底表面移除ga-氧化物的决定性步骤。也可设想，在低温下，尤其在低于200℃的温度下，不发生ga2o的升华；而是，发生经由氢原子的砷化镓的缩减。结果形成镓及水，水对应地蒸发。
ge衬底表面
根据本发明的过程在锗表面的情况中主要用于氧化物移除及用于清洁有机化合物。
用于ge表面的工作气体是成形气体混合物rfg1、rfg3、rfg4及rfg5(见表1)。离子能尤其位于100ev与800ev之间、优选位于150ev与400ev之间，且最优选恰好位于350ev、200ev、400ev处(见表2)。电流密度位于4.5μa/cm2与8.5μa/cm2之间，优选位于5.5μa/cm2与7.5μa/cm2之间，且最优选恰好位于6.5μa/cm2处。衬底表面的温度优先位于275℃与350℃之间，优选位于300℃与325℃之间，且最优选恰好位于300℃处。衬底表面的处理的持续时间总计为多于10秒，优选多于300秒，更优选多于600秒，且最优选多于1200秒。等离子体的离子剂量尤其位于1012离子/平方公分与1016离子/平方公分之间，更优选位于1013离子/平方公分与1015离子/平方公分之间，且最优选恰好位于5x1014离子/平方公分处。
根据表2的过程参数，透过离子冲击完成自ge表面完全移除原生氧化物及碳下至相对小量(<1％)，原生氧化物及碳也可由过程腔室中的杂质导致。若表面温度自室温上升至约350℃，则可自锗衬底表面完全移除碳及氧化物层。关于经由氢离子束移除氧化锗的可能化学反应可如下描述：
inp衬底表面
根据本发明的过程在inp表面的情况中主要(但不纯粹)用于氧化物移除。
用于inp表面的工作气体是成形气体混合物rfg1、rfg3及nfg5(50％氮 50％氩)。离子能位于100ev与500ev之间，优选位于200ev与400ev之间，且最优选恰好位于300ev处。电流密度位于2.5μa/cm2与6.5μa/cm2之间，优选位于3.5μa/cm2与5.5μa/cm2之间，且最优选恰好位于4.5μa/cm2处。衬底表面的温度位于125℃与225℃之间，优选位于150℃与200℃之间，且最优选恰好位于175℃处。衬底表面的处理的持续时间总计为多于10秒，优选多于100秒，更优选多于300秒，且最优选多于600秒。等离子体的离子剂量位于1012离子/平方公分与1016离子/平方公分之间，更优选位于1013离子/平方公分与1015离子/平方公分之间，且最优选恰好位于1.5x1014离子/平方公分处。
si衬底表面
用于硅表面的工作气体是成形气体混合物fg0、fg1、fg3、rfg5及nfg3(见表1)。离子能位于150ev与800ev之间，优选位于150ev与500ev之间，且最优选恰好位于500ev处。电流密度位于20μa/cm2与70μa/cm2之间，优选位于30μa/cm2与60μa/cm2之间，且最优选恰好位于40μa/cm2与50μa/cm2之间。衬底表面的温度位于300℃与400℃之间，优选位于325℃与375℃之间，且最优选恰好位于350℃处。衬底表面的处理的持续时间总计为多于10秒，优选多于50秒，更优选多于100秒，且最优选多于300秒。等离子体的离子剂量位于1013离子/平方公分与1017离子/平方公分之间，更优选位于1014离子/平方公分与1016离子/平方公分之间，且最优选恰好位于1.5x1015离子/平方公分处。
氧化硅的移除优选由以下反应方程式描述：
sio2衬底表面
用于热氧化硅的工作气体是成形气体混合物fg0、fg2及fg5(见表1)。离子能位于150ev与800ev之间，优选位于475ev与525ev之间，且最优选恰好位于500ev处。电流密度位于20μa/cm2与70μa/cm2之间，优选位于30μa/cm2与60μa/cm2之间，且最优选恰好位于40μa/cm2与50μa/cm2之间。衬底表面的温度位于300℃与400℃之间，优选位于325℃与375℃之间，且最优选恰好位于350℃处。衬底表面的处理的持续时间总计为多于10秒，优选多于50秒，更优选多于100秒，且最优选多于300秒。等离子体的离子剂量位于1013离子/平方公分与1017离子/平方公分之间，更优选位于1014离子/平方公分与1016离子/平方公分之间，且最优选恰好位于1.5x1015离子/平方公分处。
氧化硅的移除优选由以下反应方程式描述：
微晶玻璃(alsio2)表面
用于铝硅氧化物的工作气体是成形气体混合物fg5(50％氩及50％氢)(见表1)。离子能位于450ev与550ev之间，优选位于475ev与525ev之间，且最优选恰好位于500ev处。电流密度位于5μa/cm2与500μa/cm2之间，优选位于30μa/cm2与60μa/cm2之间，且最优选恰好位于500μa/cm2处。衬底表面的温度位于rt与400℃之间，且最优选恰好位于rt处。衬底表面的处理的持续时间总计为多于10秒，优选多于50秒，更优选多于100秒，且最优选恰好在120秒处。等离子体的离子剂量位于1013离子/平方公分与1017离子/平方公分之间，更优选位于1014离子/平方公分与1016离子/平方公分之间，且最优选恰好位于1.5x1015离子/平方公分处。
在根据本发明的处理之前及之后在x射线光电子能谱法(xps)的帮助下发生衬底表面的量化。
根据本发明的过程的一般描述可尤其如下控制根据本发明的过程：
尤其为成形气体、甚至更优选仅包括成分(最优选为氩)的第一气体在离子源中经电离且经由加速单元而加速至衬底表面的点上。经由优选使用宽带离子束，离子束尤其覆盖整个表面。第一成分遇到衬底表面上的未污染部位且经弹性散射(且因此不导致对于衬底表面的任何改变/损害，且由此也不导致物理和/或化学改变)；或在第二可设想的情况中，第一成分遇到杂质。根据本发明，杂质与衬底表面之间的结合能尤其重复多次经设定低于改变衬底表面自身所需的能量。替代地或另外，杂质与衬底表面之间的结合能尤其重复多次经设定小于第一成分的动能。此成分因此能够自衬底表面移除杂质而不损害衬底表面自身。在根据本发明的第二步骤中，尤其为成形气体、甚至更优选仅包括成分、优选为氢的第二气体用于将大气中的被溅除的杂质转换成不再如此容易沉积于衬底表面上的更少有害化合物。此化合物优选是在适当环境中呈气态状态存在且因此可经携载至过程腔室之外的化合物。在特殊实施例中，在离子源中产生的气体可与将杂质转换成不再如此容易沉积于衬底表面上的更少有害化合物的第二气体相同。
此外，揭示根据本发明的系统，在该系统的帮助下可尽可能有效地应用根据本发明的方法。根据本发明的系统包括至少离子源、至少过程腔室、将工作气体引导至工作腔室的至少一个阀，以及用于固定且尤其移动衬底的衬底样品固持器。根据本发明的系统优选是丛集的部分、更优选是高真空丛集的部分、且最优选是极高真空丛集的部分。在指定真空丛集的一个中的压力尤其小于1巴，优选小于10-1毫巴，更优选小于10-3毫巴，最优选小于10-5毫巴，且最佳小于10-8毫巴。在尤其优选实施例中，根据本发明的实施例首要地搭配结合器和/或对准器一起使用以使衬底彼此结合。
此外，揭示衬底作为根据本发明的产品，该产品特征为极高表面纯度及非常标称损害的表面积。表面纯度由此由杂质原子比衬底表面原子的数目的比率而指定。表面纯度因此是无量纲比率。优选地，因此呈ppm(百万分率)、ppb(十亿分率)或ppt(万亿分率)给出此非常小的数目。在根据本发明的清洁过程之前，杂质可覆盖整个衬底表面，由此在上文中界定的表面纯度将大于或等于1。经由使用根据本发明的方法，相应地减小表面杂质。在使用根据本发明的方法之后，衬底表面的杂质小于1(106ppm)，优选小于10-3(1000ppm)，更优选小于10-6(1ppm)，更优选小于10-9(1ppt)，尤其优选0。
损害的强度最佳由深度范围指示，在该深度范围内在衬底的微结构中的改变仍可侦测。归因于使用根据本发明的方法及系统，此深度范围小于10μm，优选小于1μm，更优选小于100nm，最优选小于10nm，最佳小于1nm，且然而尤其最较为零。因此在理想情况中，完全不发生归因于离子冲击的损害。可经由比较使用根据本发明的方法处理的第一衬底的表面或近表面区域的微结构与未使用根据本发明的方法处理的第二衬底(但其优选来自相同批次)的表面或近表面区域的微结构而完成此损害的侦测。微结构由此优选是使用tem(透射电子显微镜术)和/或afm(原子力显微镜术)和/或sem(扫描电子显微镜术)和/或x射线散射和/或电子散射检查。
附图说明
在附图辅助下，自以下优选实施例实例的描述，本发明的进一步优点、特征及细节将变得清晰。其中
图1展示根据本发明的第一实施例的示意性描述，
图2展示根据本发明的第二实施例的示意性描述，
图3展示根据本发明的第三实施例的示意性描述，
图4展示根据本发明的第四实施例的示意性描述，
图5展示多个原子对处理时间的浓度相依性的科学附图，
图6a展示xps信号对关于材料硅的波长的强度相依性的科学附图，
图6b展示衬底表面在根据本发明的处理之前的微观表面影像，
图6c展示衬底表面在根据本发明的处理之后的微观表面影像，
图7展示xps信号对关于材料氧化硅的波长的强度相依性的科学附图，
图8展示xps信号对关于材料微晶玻璃的波长的强度相依性的科学附图，
图9展示xps信号对材料金的波长的强度相依性的科学附图。
在附图中，使用相同参考符号标记相等或有效相等的特征。
具体实施方式
图1展示根据本发明的第一优选实施例，其包括离子溅射系统1，该离子溅射系统1具有产生离子束3(尤其宽带离子束)的离子源2。此束遇到已固定于衬底样品固持器5上的衬底7的衬底表面7o。衬底样品固持器5已固定于桌台4上且优选可交换。可经由机器人经由闸9而将衬底7载入至过程腔室8中。可使用过程气体经由阀6而抽空和/或冲洗过程腔室8。因为桌台4能够在x和/或y和/或z方向中或绕x和/或y和/或z轴平移和/或旋转移动，所以衬底表面7o可布置于相对于离子束3的任何任意位置及定向中。
过程气体优选是由离子源2使用以产生离子束3的相同成形气体。
图2展示由第二离子源2’扩展的第二实施例。第二离子源2’可用于将第二成形气体引入至过程腔室8中或其用于离子束3经由离子束3’的有目标的操纵。例如可设想经由在第二离子源2’中产生的第二离子气体来减小或氧化第一离子源2的离子束3中的离子，而经由离子束3’操纵离子束3中的离子密度。也可设想离子源2’为电子源，在该电子源的帮助下在离子束3处射出电子。离子源3’的电子接着减小离子束3的带正电荷的离子。经由高离子密度，可发生离子束3的离子的氧化水平中的增加；离子因此带负电荷。
图3展示根据本发明的类似于图1的第三实施例，其包括离子溅射系统1”，其中离子源2”使用窄带离子束3”以根据本发明执行衬底表面7o的清洁。为了到达衬底表面7o上的全部所欲点，衬底范本固持器5与衬底7一起相对于离子束3”移动。在此实施例中也可设想使用至少一个其他的离子源2’。
图4展示根据本发明的类似于图2及图3的第四实施例，其包括离子溅射系统1’，其中离子源2在孔径10上方产生宽带离子束3。孔径10将宽带离子束3转换成窄带离子束3”。在根据本发明的此实施例中，第二离子源2’不仅用于操纵离子束3”，而且尤其优选首要地结合自孔径10分离的杂质。这些杂质将以其它方式沉积于衬底7上且污染衬底7。因为在图4中描绘的离子源2、宽带离子束3及孔径10的组合经常用于产生对应窄带离子束3”，所以根据本发明的此实施例拥有适当高技术及经济关联性。孔径10尤其由碳或含有碳的材料制成且因此对应地极大涉及衬底7的尤其有机污染。然而，经由使用根据本发明的实施例且在尤其构造为离子枪的第二离子源2’和/或经引入的成形气体的帮助下，可主要防止或甚至完全排除经由孔径10沉积杂质。第二离子源2’的离子束3’在孔径10的适当定位的情况下也可采用于孔径10与第一离子源2之间，指在宽带离子束3的区域中。在异常优选实施例中，离子源2’可经枢转使得离子束3’可采用于孔径10上方及下方两者。当然，离子束3’也可进一步用于清洁衬底表面7o。为了到达衬底表面7o上的全部所要点，衬底样品固持器5可再一次与衬底7一起相对于离子束3”移动。
图5展示xps(x射线光电子能谱法)量测的科学附图，其中gaas衬底表面7o上的镓、砷、碳及氧的原子浓度被描绘为依据使用根据本发明的成形气体混合物及根据本发明的离子溅射系统的冲击时间而变化。氧及碳浓度的减小以及镓及砷浓度的相关联的增加显著可辨别。应注意，此处呈现的清洁过程使这些结果在极低温度下且在非常短量的时间中变得可能以及无对衬底表面的任何显著损害。具体来说，将“显著损害”理解为指在深度范围内的微结构中的改变。深度范围尤其小于15nm，优选小于7nm，更优选小于3nm，且最优选小于1.5nm。
图6a展示两个强度光谱的xps(x射线光电子能谱法)量测的科学附图。上部强度光谱透过特性强度变化曲线展示氧及碳以及硅的存在。在于根据本发明的硅表面的清洁之后记录的下部强度光谱中，特性氧及碳变化曲线已消失。图6b及图6c展示在根据本发明的方法的使用之前及之后在检查下的衬底表面的afm(原子力显微镜术)记录。经由碳杂质的移除以及氧化物的移除的粗糙度的缩减清晰可辨别。虽然使用离子溅射技术，但根据本发明的方法不因此导致表面的粗糙化，而根除杂质且最佳预处理衬底表面以供进一步过程步骤使用。
图7展示三个强度光谱的xps(x射线光电子能谱法)量测的科学附图。上部强度光谱展示二氧化硅的碳以及氧的存在。在第一试验中，尝试使用纯氩移除碳。在使用纯氩的离子冲击之后，记录第二强度变化曲线(在中间)。在第二强度变化曲线中，碳浓度中的增加显著可辨别。碳浓度中的增加可具有许多原因。然而重要的是碳来自过程腔室8。碳累积于过程腔室8、处沉积于壁上的碳，经由离子溅射系统的部件而引入或透过闸而引入。仅衬底表面7o经由使用根据本发明的技术结合根据本发明的成形气体的根据本发明的处理产生已除去碳的衬底表面，如在第三(下部)强度变化曲线中自相同波长处无碳变化曲线可见。
类似考虑适用于根据图8在微晶玻璃上实施的试验。
图9最后展示金表面上碳的移除。此展示根据本发明的系统及方法也最佳适合于清洁金属表面。特别优选地，根据本发明的方法也可用于清洁如同铜的金属表面以在进一步过程步骤中结合它。
附图标记列表
1离子溅射系统
2，2’，2”离子源
3，3’，3”离子束
4桌台
5衬底样品固持器
6阀
7衬底
7o衬底表面
8过程腔室
9闸
10孔径
1.一种用于衬底(7)的衬底表面(7o)的表面处理的方法，该方法包括以下步骤：
将该衬底表面(7o)布置在过程腔室(8)中，
使用由离子束源(2、2’、2’’)产生且瞄准该衬底表面(7o)的离子束(3、3’、3’’)冲击该衬底表面(7o)以自该衬底表面(7o)移除杂质，其中该离子束(3、3’、3’’)具有第一成分，以及
将第二成分引入至该过程腔室(8)中以结合被移除的杂质，
其中衬底样品固持器与所述离子束源(2、2’、2’’)的出口开口之间的距离小于100cm。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述衬底样品固持器与所述离子束源(2、2’、2’’)的出口开口之间的距离小于80cm。
3.如权利要求2所述的方法，其中所述衬底样品固持器与所述离子束源(2、2’、2’’)的出口开口之间的距离小于60cm。
4.如权利要求3所述的方法，其中所述衬底样品固持器与所述离子束源(2、2’、2’’)的出口开口之间的距离小于40cm。
5.一种用于衬底(7)的衬底表面(7o)的表面处理的装置，其包含：
-过程腔室(8)，其用于接收该衬底(7)，
-离子束源(2、2’、2’’)，其用于产生具有第一成分且瞄准该衬底表面(7o)的离子束(3、3’、3’’)以自该衬底表面(7o)移除杂质，
-构件，其用于将第二成分引入至该过程腔室(8)中以结合被移除的杂质，
其中衬底样品固持器与所述离子束源(2、2’、2’’)的出口开口之间的距离小于100cm。
6.如权利要求5所述的装置，其中所述衬底样品固持器与所述离子束源(2、2’、2’’)的出口开口之间的距离小于80cm。
7.如权利要求6所述的装置，其中所述衬底样品固持器与所述离子束源(2、2’、2’’)的出口开口之间的距离小于60cm。
8.如权利要求7所述的装置，其中所述衬底样品固持器与所述离子束源(2、2’、2’’)的出口开口之间的距离小于40cm。
技术总结