AT15801U2 - Verfahren und Vorrichtung zur Vermessung einer Bondwelle - Google Patents

Abstract

Die Erfindung beschreibt ein Verfahren zur Vermessung einer, insbesondere während eines Direktbonds entstehenden und fortlaufenden, Bondwellenfront. Der erfindungsgemäße Gedanke besteht darin, den Fortlauf der Bondwellenfront mittels Schall aktiv und/oder passiv zu vermessen. Erfindungsgemäß werden daher entweder die in den Substraten erzeugten Körperschallwellen, die bei der Verbindung der beiden Substrate entlang der Bondwellenfront entstehen, passiv von einem Schallaufnehmer gemessen und über die Laufzeit eine Bondwellenfrontposition ermittelt oder es wird in einem aktiven Verfahren Schall in mindestens eines der Substrate eingekoppelt um über die Änderung der Resonanzeigenschaften oder durch Schallreflexion eine Auskunft über die Position der Bondwellenfront zu erhalten.

Description

Beschreibung

VERFAHREN ZUR VERMESSUNG EINER BONDWELLE

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermessung einer Bondwelle gemäß Anspruch 1.

[0002] In der Halbleiterindustrie werden vermehrt sogenannte Bondverfahren verwendet um zwei Substrate miteinander zu verbinden. Eines der wichtigsten Bondverfahren ist das Fusionsbonden. Beim Fusionsbonden werden zwei Substrate, insbesondere Siliziumwafer, anfänglich an einem, insbesondere zentrischen, Kontaktierungspunkt miteinander kontaktiert. Nach der Kontaktierung erfolgt ein kontrolliertes oder teilweise sogar unkontrolliertes Loslassen des, insbesondere oberen, Substrats. Durch diese Freiheit wird es den Substraten ermöglicht sich vom Kontaktierungspunkt aus bis zum Rand vollständig miteinander zu verbinden. Der Verbindungsvorgang, in der Fachsprache als Bondvorgang bekannt, erfolgt dabei schrittweise durch das Voranschreiten einer sogenannten Bondwelle.

[0003] Die Vermessung der Bondwellenfront erfolgt im Stand der Technik durch unterschiedliche Methoden. Eine sehr bekannte Methode ist die Vermessung der Rückseite eines Substrats mit Hilfe eines Lasers. Eine weitere Methode der Bondwellenfrontbeobachtung besteht in einer einfachen Transmissionsmessung. Siliziumsubstrate sind infrarot transparent. Durch die Verwendung von Infrarotstrahlung und Infrarotkameras kann man die Bondwellenfront als Kontrastunterschied zwischen dem gebondeten und nicht gebondeten Bereichen eindeutig erkennen. Durch die Verwendung von Infrarotkameras können Teilbereiche der Substrate überwacht werden. Insbesondere kann durch die Verwendung mehrere genannter Sensoren eine Überwachung der Bondwellenfront entlang des gesamten Radius bzw. Durchmessers des Substrats erfolgen. Bekannte Druckschriften, die sich mit der Vermessung von Bondwellenfronten beschäftigen sind die Patente US6881596B2 und US7612895B2. Diese Druckschriften offenbaren Verfahren, mit deren Hilfe man eine sehr genaue, ortsaufgelöste Detektion der Bondwellenfront durchführen kann.

[0004] Die Vermessung einer Bondwellenfront erfolgt meistens über optische Methoden. Eine Methode der Vermessung besteht darin, dass man an mehreren Positionen entlang des Radius eines Substrats die Durchbiegung oder den Abstand des Substrats zu einer Referenzposition vermisst. Damit kann der Fortschritt der Bondwellenfront über den Radius ermittelt werden. Diese Methode setzt voraus, dass man mindestens zwei Detektoren besitzt.

[0005] Für eine entsprechend hohe Auflösung muss die Anzahl der verwendeten Detektoren entsprechend größer sein. Eine weitere Möglichkeit der Bondwellenfrontvermessung besteht in der Mustererkennung. Eine Kamera nimmt ein Bild der Substratrückseite auf. Bei der Kamera handelt es sich beispielsweise um eine CCD oder CMOS Kamera, die sensitiv für Infrarotlicht ist. Um die Bondwellenfront detektieren zu können, muss das Substrat transparent im Wellenlängenbereich der verwendeten elektromagnetischen Strahlung sein. Die Bondwellenfront ist dann die Grenze zwischen dem gebondeten und nicht gebondeten Bereich der beiden Substrate. Diese Bondwellenfront kann eindeutig als Kontrastunterschied detektiert, vermessen und in einem Computer durch Mustererkennungsprozesse analysiert werden. Der Nachteil dieser Methode besteht darin, dass Substrate mit metallischen Beschichtungen nicht vermessen werden können, da sie nicht infrarottransparent sind.

[0006] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bondwellendetektion mittels Schall vorzusehen.

[0007] Der Kern der Erfindung besteht in der Vermessung der Position einer Bondwellenfront mittels Schall. In einer speziellen erfindungsgemäßen Ausführungsform ist aber auch die Vermessung einer Debondwellenfront beim Debonden möglich. Da auch das Debonden zweier Substrate mit der Bewegung einer Wellenfront, der Debondwellenfront, einhergeht können alle erfindungsgemäßen Verfahren für die Überwachung der Bondwellenfront auch für die Überwachung der Debondwellenfront und damit für das Debonden verwendet werden. Bond- und De- bondwellen können daher in der weiteren Druckschrift auch nur als Wellen bezeichnet werden. Analog können Bond- und Debondwellenfronten auch einfach nur als Wellenfronten bezeichnet werden. Da der Bondvorgang allerdings der am häufigsten durchgeführte Prozess ist, bei dem derartige Wellen und Wellenfronten entstehen, wird er in der weiteren Druckschrift herangezogen um die erfindungsgemäße Idee exemplarisch zu beschreiben.

[0008] Die Verwendung von Schall ermöglicht eine Erweiterung der Messmethoden für das Bonden. Die Methode kann unabhängig von weiteren bzw. anderen Methoden verwendet werden. Sie ist relativ leicht in bestehende Anlagen einzubauen, da im besten Fall das aktuelle Verformungselement nur durch ein Verformungselement mit entsprechendem Schallsensor und Empfänger ersetzt werden muss. Durch die kontinuierliche Vermessung des Schalls als Funktion der Zeit kann man die Position der Bondwellenfront besser auflösen. Des Weiteren ermöglicht die Verwendung eines aktiven Verfahrens, welches sich durch die Einkopplung von Schall in mindestens eines der Substrate auszeichnet, eine noch genauere Möglichkeit der Vermessung der Bondwellenfrontposition.

[0009] Es wird ein erfindungsgemäßes Verfahren und eine erfindungsgemäße Vorrichtung offenbart, mit deren Hilfe man in der Lage ist die Position bzw. den Verlauf einer Wellenfront aktiv oder passiv mit Hilfe von Schall zu detektieren bzw. zu verfolgen. Der Idee liegt dabei der Gedanke zu Grunde, dass die Änderung eines physikalischen Zustandes sehr oft mit der Emission von Schallwellen einhergeht. Diese Schallwellen breiten sich hauptsächlich in einem Festkörper aus und werden in der weiteren Druckschrift auch als Körperschall bezeichnet um sie von Schallwellen zu unterschieden, die über Fluide, insbesondere die Luft, übertragen werden.

[0010] Körperschallwellen weisen longitudinalen und transversalen Wellencharakter auf und sind in Festkörpern über die Phononendispersion eindeutig messbar und berechenbar. Die Geschwindigkeit der Schallausbreitung ist im Allgemeinen temperatur- und richtungsabhängig.

[0011] Die erfindungsgemäße Ausführungsform eignet sich für die Vermessung von jeder Art von voranschreitenden Wellenfronten zwischen zwei Substraten, bei denen eine Oberfläche erzeugt oder vernichtet wird, das sind insbesondere folgende Verfahren [0012] · Direktbonden, insbesondere [0013] o Fusionsbonden, insbesondere [0014] Hybridbonden [0015] · Anodisches Bonden [0016] · Adhäsives Bonden, insbesondere [0017] o Permanent adhäsives Bonden [0018] o Temporär Adhäsives Bonden [0019] · Prägeprozesse [0020] Beim Bonden oder Prägen werden Oberflächen vernichtet, da sie sich miteinander verbinden. Die zu betrachtende und erfindungsgemäß zu übenwachende Bondwellenfront läuft vorzugsweise zentrisch nach außen.

[0021] Beim Debonden oder Entformen eines Stempels von einer Prägemasse hingegen, werden Oberflächen erzeugt, da die Bondwellenfront, welche die Trennung der Oberflächen vorantreibt, von außen nach innen läuft.

[0022] Vorzugsweise breitet sich die Wellenfront immer radialsymmetrisch aus, entweder in Richtung eines Zentrums des Substrats (Debondwellenfront) oder von dessen Zentrum weg (Bondwellenfront). Denkbar ist auch, dass die betrachtete Wellenfront sich linear von einer Seite des Substrats zur dem Substrat gegenüberliegenden Seite, also entlang des gesamten Durchmessers, ausbreitet. Dieser Vorgang kann vor allem bei Prägeprozessen bzw. der Entformung eines Stempels von einer Prägemasse stattfinden.

[0023] Alle genannten erfindungsgemäßen Methoden und Vorrichtungen eignen sich für die Vermessung einer Debondwellenfront und/oder einer Bondwellenfront. Im weiteren Verlauf der Druckschrift werden diese erfindungsgemäßen Verfahren und Vorrichtungen exemplarisch anhand einer Bondwellenfront erläutert und offenbart.

SCHALLELEMENTE

[0024] Die Vermessung und Erfassung der Schallsignale und/oder deren Erzeugung erfolgt mit Hilfe von Schallelementen. Bei den Schallelementen handelt es sich vorzugsweise um eines der folgenden Bauteile [0025] · Energiewandler (engl.: transducer), insbesondere [0026] o Schallwandler [0027] o Piezoschwinger [0028] o Laser [0029] Insbesondere kann es sich also bei den Schallelementen auch um Laser handeln. Intensiver Laserbeschuss eines Festkörpers kann im Festkörper Schallwellen erzeugen, genauso wie die Vermessung der Oberfläche mittels Laser Rückschlüsse auf den Körperschall im Festkörper erlaubt. Dem Fachmann sind derartige Prinzipien bekannt. Sie werden unter den Oberbegriffen Akustooptik und Optoakustik zusammengefasst und hier nicht näher erläutert.

[0030] Das Schallelement schwingt in einem Frequenzbereich zwischen 1 Hz und 1 MHz, vorzugsweise zwischen 2 Hz und 750 kHz, noch bevorzugter zwischen 5 Hz und 500 kHz, am bevorzugtesten zwischen 7 Hz und 250 Hz, am allerbevorzugtesten zwischen 10 Hz und 200 kHz.

[0031] Die Schallwellenelemente besitzen Leistungen zwischen 0.01 Watt und 1000 Watt, vorzugsweise zwischen 0.1 Watt und 750 Watt, noch bevorzugter zwischen 1 Watt und 500 Watt, am bevorzugtesten zwischen 10 Watt und 250 Watt, am allerbevorzugtesten zwischen 50 Watt und 100 Watt.

[0032] Werden in den erfindungsgemäßen Ausführungsformen mehrere Schallelemente verwendet, können alle Schallelemente einzeln angesteuert werden. Insbesondere ist die Phasenbeziehung zwischen deren Signalen sehr genau einstellbar. Die Schallgeschwindigkeit ist um mehrere Zehnerpotenzen geringer als die Lichtgeschwindigkeit. Daher kann die Synchronisation der Schallelemente zueinander entweder mit Hilfe optischer und/oder elektrischer Methoden leicht durchgeführt werden. Unter Synchronisation versteht man insbesondere eine zeitliche Synchronisation. Unter einer zeitlichen Synchronisation versteht man einen Justiervorgang, bei dem mindestens zwei Schallelemente auf einem Kreis so zueinander eingestellt werden, dass sie eine sich isotrop ausbreitende Wellenfront, deren Ausgang sich im Zentrum desselben Kreises befindet, zeitgleich detektieren. Nach der erfolgten Synchronisation der Schallelemente zueinander können von jeweils zwei Schallelementen, die in der Lage sind aktiv Schallimpulse zu senden, zeitgleich Schallimpulse gesendet werden, die zueinander eine Phasendifferenz von weniger als 1 rad, vorzugsweise weniger als 0.1 rad, noch bevorzugter weniger als 0.01 rad, am bevorzugtesten weniger als 0.001 rad, am allerbevorzugtesten weniger als 0.0001 rad besitzen. Werden die beiden Schallelemente als Empfänger verwendet und sind von einer punktförmigen Schallquelle gleichweit entfernt, gelten analoge Bedingungen für die Empfindlichkeit bei der Phasendifferenz für die Schallsignale, die von den beiden Schallelementen empfangen werden. Die Synchronisation der Schallelemente zueinander ist wichtig um fest miteinander verbaute Schallelemente in einem Schallelementfeld eines Substrathalters zueinander korrekt zu synchronisieren. Damit können die Signale von nicht perfekt positionierten Schallelementen durch eine Phasenverschiebung leicht korrigiert werden.

[0033] Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von Schallsensoren, die Frequenzbereiche des Wellensignals erzeugen und/oder vermessen, die sich von den Frequenzbereichen der Hintergrundgeräusche stark genug unterscheiden. Vorzugsweise wird der Schall überhaupt nur in einem Frequenzbereich erzeugt, in welchem sich überhaupt keine parasitären Frequenzen von Hintergrundgeräuschen befinden. Die Signale des Schallsensors können digitalisiert, gewandelt und ausgewertet werden, insbesondere mittels Soft- und/oder Hard- und/oder Firmware, vorzugsweise über DSPs. Vorzugsweise können die Signale, insbesondere digital gespeichert, werden.

[0034] Die Schallsensoren besitzen eine Empfindlichkeit zwischen 0.00001 und 10000000 mV/Pa, vorzugsweise zwischen 0.0001 und 1000000 mV/Pa, noch bevorzugter zwischen 0.001 und 100000 mV/Pa, am bevorzugtesten zwischen 01 und 10000 mV/Pa, am allerbevorzugtesten zwischen 0.1 bis 1000 mV/Pa.

[0035] Anstelle von Schallsensoren können auch sehr empfindliche Beschleunigungssensoren verwendet werden. Insbesondere können gleichzeitig Schall und Beschleunigungssensoren verwendet werden, um einen breiteren Frequenzbereich abzudecken.

[0036] Die Beschleunigungssensoren besitzen eine Empfindlichkeit zwischen 000001 g und 10000 g, vorzugsweise zwischen 0.00001 g und 1000 g, noch bevorzugter zwischen 0.0001 g und 100 g, am bevorzugtesten zwischen 0.001 g und 10 g, am allerbevorzugtesten zwischen 0.01 g bis 1 g.

[0037] Die Leistung der Sensoren liegt zwischen 0.01 mW und 1000 kW, vorzugsweise zwischen 0.1 mW und 100 kW, noch bevorzugter zwischen 1 mW und 10 kW, am bevorzugtesten zwischen 10 mW und 1 kW, am allerbevorzugtesten zwischen 100 mW und 500 W.

FOURIER SYNTHESE UND ANALYSE

[0038] Das wichtigste mathematische Werkzeug zur Wellenanalyse ist die Fourier Synthese bzw. Fourier Analyse. Allen erfindungsgemäßen Verfahren ist gemein, dass ein Schallsignal durch Fourier Synthese von Spektraldaten erzeugt bzw. dass ein gemessenes Schallsignal durch eine Fourier Analyse in sein Spektrum zerlegt werden kann.

[0039] Das erfindungsgemäße Verfahren kann daher in aktive und passive Verfahren eingeteilt werden.

[0040] Bei den aktiven erfindungsgemäßen Verfahren kann ein Spektrum erzeugt werden, welches durch Fourier Synthese zu einem Schallsignal umgewandelt wird. Die Fourier Synthese erlaubt insbesondere die Festlegung eines Schallsignals mit unterschiedlichen Frequenzen und damit unterschiedlichen Wellenlängen, die an Objekten unterschiedlich stark gestreut, gebrochen und reflektiert werden. Im Allgemeinen gilt, dass Schallwellen vor allem an Objekten gebrochen, gebeugt und reflektiert werden, die in der Größenordnung der Wellenlänge der Schallwelle liegen. Die Fourier Synthese erlaubt daher auch die Festlegung der Form des Wellenpakets, welches sich mit der entsprechenden Gruppengeschwindigkeit durch das Material des entsprechenden Substrats bewegt.

[0041] Die Spektralanalyse der Fourier Analyse hingegen erlaubt die Zuordnung einzelnen Frequenzen zu deren Schallquellen. Durch die Spektralanalyse ist man beispielsweise in der Lage zu ermitteln, welche Frequenzen sich nicht mehr oder zumindest abgeschwächt im Spektrum befinden. Auf Grund der fehlenden Frequenzen kann man Rückschlüsse auf deren Verbleib, beispielsweise durch Streuung oder Absorption ziehen.

AKTIVE VERFAHREN

[0042] Unter einem aktiven erfindungsgemäßen Verfahren versteht man eine Messmethode, bei der in mindestens eines der beiden Substrate durch mindestens ein Schallelement Schallwellen aktiv eingebracht werden. Die Einbringung der Schallwellen kann entweder [0043] · Mechanisch und/oder [0044] · Akustisch und/oder [0045] · Optisch [0046] erfolgen. Die erzeugten Schallwellen durchlaufen das Substrat, in das sie eingekoppelt werden, und ergeben, abhängig von der Position der Bondwellenfront, ein typisches, messbares Signal. Ein derartiges Schallsignal wird sehr stark von dem Resonanzkörper abhängen, den es durchläuft.

[0047] Insbesondere der Resonanzkörper unterliegt während dem Fortlauf der Bondwellenfront einer kontinuierlichen Veränderung, da sich die gebondete Fläche zwischen den Substraten kontinuierlich vergrößert. Daher kann das Schallsignal sich ebenfalls kontinuierlich verändern. Des Weiteren können unterschiedliche Topologien oder Oberflächenbeschaffenheiten zur Reflexion der eingekoppelten Schallwelle führen. Im Allgemeinen wird das Schallsignal von folgenden Eigenheiten beeinflusst werden [0048] · Resonanzkörper, d.h. dem Körper der sich aus (teilweise) gebondeten und (teilweise) ungebondeten Bereichen der beiden Substrate zusammensetzt [0049] · Oberflächenrauheit der Substrate [0050] · Abweichungen der idealen Struktur eines Substrats, insbesondere [0051 ] o Eingearbeitete Bauteile, insbesondere [0052] Chips

[0053] MEMS

[0054] o Kristallbaufehlern, insbesondere [0055] Versetzungen [0056] Fehlstellen [0057] o Interstitiellen und substitutioneilen Atomen

PASSIVE VERFAHREN

[0058] Unter einem passiven erfindungsgemäßen Verfahren versteht man eine Messmethode, bei der nur eine passive Messung des Schalls in mindestens einem der beiden Substrate erfolgt. Es wird daher keine Schallwelle aktiv in die Substrate eingekoppelt sondern nur der Schall gemessen, der durch die physikalische Fortbewegung der Bondwellenfront und/oder allen daraus entstehenden physikalischen Effekten, entsteht. Folgende physikalischen Effekte dienen als Schallquellen bzw. Änderung der Schalleigenschaften.

[0059] · Eine Änderung der Oberflächenstruktur, insbesondere Höhenunterschiede zwischen den metallischen und dielektrischen Bereichen eines Hybridbonds [0060] · Eine Änderung der Oberflächenrauheit [0061] · Die Kompression eines Gases bzw. Gasgemisches zwischen den Substraten direkt vor der Bondwellenfront [0062] · Die Expansion eines Gases an der Peripherie der Substrate [0063] · Die Erzeugung von van-der-Waals und/oder kovalenten Bindung zwischen den Sub stratbondoberflächen direkt entlang der Bondwellenfront [0064] · Änderung der Eigenfrequenz des Substratstapels durch das kontinuierliche Bonden der beiden Substrate [0065] · Änderung der Schalleitungseigenschaften abhängig von der Größe der gebondeten

Fläche [0066] · Kapillarkräfte zwischen einem Substrat und einem Adhäsiv [0067] Alle genannten Effekte können auch verwendet werden, um eine Debondwellenfront zu überwachen und zu beschreiben. Die Debondwellenfront ist jene Bondwellenfront die entsteht, wenn man zwei zueinander gebondete Substrate wieder voneinander trennt. Eine Vorrichtung zur Trennung zweier, insbesondere fusionsgebondeter, Substrate findet sich in der Druckschrift W02013091714A1.

[0068] Bei der Verwendung der erfindungsgemäßen Verfahren für einen Debondvorgang können insbesondere [0069] · der Beginn des Ablöseprozesses [0070] · ein Stillstand des Ablöseprozesses [0071] · Brüche [0072] detektiert werden.

FORM DES SCHALLSIGNALS

[0073] Die Wellenlehre zeigt auf, dass der Transport von Information über Wellenpakete erfolgt, welche man sich als Überlagerung einer Vielzahl von perfekten Sinuswellen vorstellen kann. Die Form eines solchen Wellenpakets kann im Allgemeinen beliebig sein. Sehr oft können derartige Wellenpakete allerdings durch eine Gauß Funktion beschrieben werden. In der allgemeinsten Form kann man sagen, dass ein Wellenpaket durch eine Funktion darstellbar ist, welche sich durch einige wenige Parameter beschreiben lässt. So beschreiben Amplitude, Mittelwert und Standardabweichung eine Gauß Funktion vollständig. Durchläuft ein solches Wellenpacket eine Strecke, auf welcher einige der, das Wellenpacket aufbauende, Sinuswellen herausgefiltert werden, so ändert sich im Allgemeinen auch die Form des Wellenpakets. Durch eine genaue Fourier Analyse des Wellenpakets und eine Betrachtung der Formänderung des Wellenpakets ist man daher auch in der Lage einen Rückschluss auf physikalische Effekte zu ziehen, welche die Schallwelle beim Durchlaufen der Strecke erfahren musste. Erwähnenswert wären dabei vor allem die Absorption und die Streuung.

[0074] Insbesondere kann der Schall auch eine stehende, aber zeitlich veränderliche Welle ausbilden. Die zeitliche Veränderung liegt im Fortschreiten der Bondwellenfront begründet.

VERFAHREN

[0075] In einem ersten erfindungsgemäßen Prozessschritt eines ersten erfindungsgemäßen Verfahrens werden zwei Substrate in die erfindungsgemäße Anlage geladen und zueinander ausgerichtet. Die Ausrichtung erfolgt vorzugsweise optisch, sodass Ausrichtungsmarken auf den Substraten mit hoher Genauigkeit zueinander ausgerichtet werden können.

[0076] In einem zweiten erfindungsgemäßen Prozessschritt eines ersten erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Kontaktierung eines ersten Substrats mit einem zweiten Substrat durch ein Verformungselement. Die Bondkraft kann dabei kontrolliert erhöht werden, bis es zur Kontaktierung kommt und die Bondwellenfront startet. Die Kontaktfläche des Verformungselements ist so klein wie möglich, vorzugsweise kleiner als 10 mm2, noch bevorzugter kleiner als 5 mm2, am bevorzugtesten kleiner als 1 mm2, noch bevorzugter kleiner als 0.1 mm2, am allerbevorzugtesten kleiner als 0.01 mm2. Die durch das Verformungselement auf das Substrat wirkende Kraft ist kleiner als 1000 N, vorzugsweise kleiner als 500 N, noch bevorzugter kleiner als 100 N, am bevorzugtesten kleiner als 10 N, am allerbevorzugtesten kleiner als 0.1 N. Gleichzeitig mit der Kontaktierung wird der Start der Bondwellenfront gespeichert. Insbesondere handelt es sich dabei um das Setzen eines Zeitsignals. Sollte die Bondwellenfront nicht ordnungsgemäß starten, kann das Verfahren abgebrochen werden. Die Substrate werden dann kontrolliert aus der Anlage entladen und die Anlage kann weitere Substratpaare prozessieren, ohne dass Operatoreingriffe notwendig wären. Der Kontaktierungsprozess liefert vorzugsweise bereits ein erstes Schallsignal. Der Zeitpunkt des Entstehens dieses Schallsignals wird vorzugsweise als Zeitnullpunkt gewählt. Alle weiteren Schallsignale auf der Zeitachse werden dann auf diesen Zeitnullpunkt bezogen.

[0077] In einem dritten erfindungsgemäßen Prozessschritt eines ersten erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Ausbreitung der Bondwellenfront und die, insbesondere kontinuierliche, Überwachung des, beim Schallempfänger ankommenden, Schallsignals. Die ankommenden Schallsignale können durch Hard- und/oder Soft- und/oder Firmware analysiert werden. Aus den vermessenen Laufzeiten der Schallsignale kann, vorzugsweise zumindest die Position der Bondwellenfront ermittelt werden. Die Position der Bondwellenfront ergibt sich insbesondere aus der Multiplikation der Schallwellengeschwindigkeit mit der Laufzeit des Schallsignals. Die Schallgeschwindigkeiten können dabei entweder vor dem erfindungsgemäßen Prozess empirisch ermittelt worden sein, oder aus der Literatur entnommen werden. Insbesondere eignen sich die Phononendispersionsdiagramme für die Ermittlung der Schallgeschwindigkeiten.

[0078] In einem vierten erfindungsgemäßen Prozessschritt eines ersten erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt die Zuordnung aller Schallsignale in ein Diagramm. Bei dem Diagramm handelt es sich insbesondere um ein Zeit- Position Diagramm. Das Zeit-Position Diagramm wird vorzugsweise in der Hard- und/oder Soft- und/oder Firmware gespeichert. Das Zeit-Position Diagramm kann vorzugsweise während der vorhergehenden Schritte aufgenommen, gespeichert und ausgewertet werden. Die sofortige Aufnahme und Auswertung erlaubt insbesondere eine kontrollierte Änderung der Bedingungen um die bondwellenfront aktiv zu beeinflussen.

VORRICHTUNG

[0079] Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus mindestens einem Substrathalter, der über mindestens ein Schallelement verfügt. Denkbar ist die Verwendung von mehr als 2 Schallelemente, vorzugsweise mehr als 4 Schallelementen, noch bevorzugter mehr als 10 Schallelementen, am bevorzugtesten mehr als 25 Schallelemente, am allerbevorzugtesten mehr als 50 Schallelementen. Die Schallelemente können dabei, insbesondere symmetrisch, im Substrathalter verbaut sein. Die Schallelemente können entweder als Schallquelle und/oder als Schallempfänger arbeiten. Die Schallelemente sind in einem der folgenden Muster anordenbar [0080] 1. Rasterförmig, insbesondere [0081 ] o Sechseckig [0082] 2. Rechteckig, insbesondere [0083] o Quadratisch [0084] o Konzentrisch [0085] 3. Spiralförmig [0086] 4. Linienförmig [0087] Existieren mehrere Schallelemente in einem Schallelementfeld, werden die Schallelemente vorzugsweise miteinander synchronisiert. Unter Synchronisation ist dabei zu verstehen, dass die Schallelemente so eingestellt werden, dass die Multiplikation der Schallgeschwindigkeit mit der Zeit, die ein jedes Schallelement für einen gemessenen Schallimpuls misst, den möglichst genauen Abstand zwischen dem Schallelement und dem Ort des erzeugten Schallimpulses ergibt. Da die Schallgeschwindigkeit sehr viel kleiner ist als die Wirkungsgeschwindigkeit des Schaltsignals über eine elektrische Leitung, müssen die Schallelemente nicht bezüglich der Laufzeit des Startsignals synchronisiert werden, was eine erhebliche Erleichterung darstellt.

[0088] Der Substrathalter verfügt vorzugsweise über mindestens ein Verformungselement, vorzugsweise einen Pin. Mit besonderem Vorzug ist ein Schallelement in diesem Pin verbaut. Der Substrathalter kann über eine gekrümmte oder krümmbare Oberfläche verfügen, wie sie in der Druckschrift W02014191033A1 beschrieben wird. Der Substrathalter kann insbesondere über Verformungselemente verfügen, welche das Substrat verformen können. Vorzugsweise erfolgt die Verformung über einen erzeugten Überdruck eines Fluids, vorzugsweise eines Gases bzw. einer Gasmischung, das/die zwischen dem Substrathalter und dem Substrat ausströmt.

[0089] Der Substrathalter kann über Kühl und/oder Heizelemente verfügen. Der Substrathalter kann auf eine Temperatur zwischen -100°C und 1000°C, vorzugsweise zwischen -50°C und 900°C, noch bevorzugter zwischen 0°C und 750°C, am bevorzugtesten zwischen 0°C und 650°C, am allerbevorzugtesten zwischen 0°C und 500°C temperiert werden.

[0090] Die Substrathalter verfügen über Fixierungen. Die Fixierungen dienen dem Festhalten der Substrate. Bei den Fixierungen kann es sich um [0091] · Mechanische Fixierungen, insbesondere [0092] o Klemmen [0093] · Vakuumfixierungen, insbesondere mit [0094] o einzeln ansteuerbare Vakuumbahnen [0095] o miteinander verbundenen Vakuumbahnen [0096] · Elektrische Fixierungen, insbesondere [0097] o Elektrostatische Fixierungen [0098] o Magnetische Fixierungen [0099] · Adhäsive Fixierungen, insbesondere [00100] o Gel-Pak Fixierungen [00101] o Fixierungen mit adhäsiven, insbesondere ansteuerbaren, Oberflächen [00102] handeln. Die Fixierungen sind insbesondere elektronisch ansteuerbar. Die Vakuumfixierung ist die bevorzugte Fixierungsart. Die Vakuumfixierung besteht vorzugsweise aus mehreren Vakuumbahnen, die an der Oberfläche des Substrathalters austreten. Die Vakuumbahnen sind vorzugsweise einzeln ansteuerbar. In einer technisch eher realisierbaren Anwendung sind einige Vakuumbahnen zu Vakuumbahnsegmenten vereint, die einzeln ansteuerbar, daher evakuiert oder geflutet werden können. Jedes Vakuumsegment ist allerdings unabhängig von den anderen Vakuumsegmenten. Damit erhält man die Möglichkeit des Aufbaus einzeln ansteuerbarer Vakuumsegmente. Die Vakuumsegmente sind vorzugsweise ringförmig konstruiert. Dadurch wird eine gezielte, radialsymmetrische, insbesondere von innen nach außen durchgeführte Fixierung und/oder Loslösung eines Substrats vom Substrathalter ermöglicht.

[00103] Im weiteren Verlauf wird die Ebenheit als Maß für die Perfektion einer planaren Fläche, insbesondere eine Oberfläche, verwendet. Abweichungen von einer planaren Oberfläche ergeben sich durch Welligkeiten und Rauheiten. Die Welligkeit einer Oberfläche zeichnet sich durch eine gewisse periodische Anhebung und Absenkung der Oberfläche, insbesondere im Millimeterbereich, seltener im Mikrometerbereich, ab. Rauheit hingegen ist ein eher aperiodisches Phänomen im Mikro- bzw. Nanometerbereich. Die genaue Definition derartiger Oberflächeneigenschaften ist jedem Fachmann der Oberflächenphysik-, Tribologie, des Maschinenbaus oder der Werkstoffwissenschaften bekannt. Um die unterschiedlichen Abweichungen von der idealen Oberfläche zu behandeln, wird im weiteren Verlauf der Patentschrift der Begriff der Rauheit synonym für die Überlagerung aller derartigen Effekte verwendet. Die Rauheit wird entweder als mittlere Rauheit, quadratische Rauheit oder als gemittelte Rauhtiefe angegeben. Die ermittelten Werte für die mittlere Rauheit, die quadratische Rauheit und die gemittelte Rauhtiefe unterscheiden sich im Allgemeinen für dieselbe Messstrecke bzw. Messfläche, liegen aber im gleichen Größenordnungsbereich. Daher sind die folgenden Zahlenwertebereiche für die Rauheit entweder als Werte für die mittlere Rauheit, die quadratische Rauheit oder für die gemittelte Rauhtiefe zu verstehen.

[00104] Die Rauheit der Substrathalteroberflächen ist kleiner als 100 pm, vorzugsweise kleiner als 10 pm, noch bevorzugter kleiner als 1 pm, am bevorzugtesten kleiner als 100 nm, am allerbevorzugtesten kleiner als 10 nm.

[00105] Die Elastizität wird durch den E-Modul beschrieben. Der E-Modul des Materials für die Substrathalteroberfläche liegt dabei zwischen 1 GPa und 1000 GPa, bevorzugt zwischen 10 GPa und 1000 GPa, mit größerem Vorzug zwischen 25 GPa und 1000 GPa, mit größtem Vorzug zwischen 50 GPa und 1000 GPa, am bevorzugtesten zwischen 100 GPa und 1000 GPa. Der E-Modul von einigen Stahlsorten liegt beispielsweise bei um die 200 GPa.

[00106] Die Substrathalter können auch als Noppensubstrathalter ausgeführt sein. Ein Noppensubstrathalters wird ausführlich in der Druckschrift WO2015113641 A1 erwähnt und beschrieben.

[00107] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die zeigen in: [00108] Figur 1a einen ersten erfindungsgemäßen Prozessschritt mit einer erfindungsge mäßen ersten Ausführungsform, [00109] Figur 1b einen zweiten erfindungsgemäßen Prozessschritt mit einer erfindungsge mäßen ersten Ausführungsform, [00110] Figur 1c einen dritten erfindungsgemäßen Prozessschritt mit einer erfindungsge mäßen ersten Ausführungsform, [00111] Figur 1d einen vierten erfindungsgemäßen Prozessschritt mit einer erfindungsge mäßen ersten Ausführungsform, [00112] Figur 2 eine erfindungsgemäße zweite Ausführungsform und [00113] Figur 3 eine Diagramm mit zwei Zeit-Positions Kurven.

[00114] In den Figuren sind gleiche Bauteile oder Bauteile mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

[00115] Die Figur 1a zeigt einen ersten erfindungsgemäßen Prozessschritt in dem ein erstes Substrat 2u mit seiner Substratrückseite 2ur auf einem ersten Substrathalter 1u über Fixierelemente 7 fixiert wird. Der erste Substrathalter 1u kann über optionale Schallelemente 4 verfügen, die in der Lage sind Schall zu emittieren und/oder zu detektieren. Ein zweites Substrat 2o wird mit seiner Substratrückseite 2or von einem zweiten Substrathalter 1o fixiert. Im zweiten Substrathalter 1o können sich ebenfalls mehrere, optionale Schallelemente 4 befinden, vorzugsweise und erfindungsgemäß befindet sich aber mindestens ein Schallelement 4 in einem Verformungselement 3. Die beiden Substrate 2u, 2o werden, insbesondere optische, zueinander ausgerichtet. Die Ausrichtung erfolgt vorzugsweise in Bezug auf vorhandene Ausrichtungsmarken 8.

[00116] Die Figur 1b zeigt einen zweiten erfindungsgemäßen Prozessschritt bei dem das Verformungselement 3 das zweite Substrat 2o krümmt, sodass dessen Substratbondoberfläche 2os mit der Substratbondoberfläche 2us des unteren Substrats kontaktiert. Insbesondere gleichzeitig wird ein Schallsignal 9‘ durch das Schallelement 4 messbar sein. In diesem speziellen Fall handelt es sich um einen passiven Messprozess, d.h. das Schallelement 4 dient als Sensor und registriert den erzeugten Schallimpuls der entsteht, wenn die beiden Substrate 2u, 2o miteinander kontaktieren. Denkbar ist allerdings auch, dass das Schallsignal 9‘ das gemessene Schallsignal eines aktiven Messprozesses ist. Dieser aktive Messprozess zeichnet sich dadurch aus, dass frühestens nach der Kontaktierung der beiden Substrate 2u, 2o zuerst ein Schallsignal über das Schallelement 4 in die beiden Substrate 2u, 2o eingekoppelt wird, dessen Reflexion dann nach dem Durchlaufen des Resonanzkörpers erneut vom Schallelement 4 als Schallsignal 9‘ erfasst wird.

[00117] Die Figur 1c zeigt einen dritten erfindungsgemäßen Prozessschritt bei dem ein Schallsignal 9“ empfangen wird, welches durch die sich verbindenden Substratbondoberflächen 2os, 2us an der Bondwellenfront 10 entsteht. Das Schallsignal 9“ wird repräsentativ mit einer gauss-förmigen Einhüllenden dargestellt. Das Schallsignal 9“ kann jedoch jede beliebige andere Form annehmen. Erfindungsgemäß von Relevanz ist ein charakteristischer Paramater des gemessenen Signals, der in die Ortsposition der Bondwellenfront 10 umgerechnet werden kann. Die

Verzerrung eines Substrats 2o, 2u werden vorwiegend durch eine zu schnelle Bondwellenfront 10 hervorgerufen. Durch die kontinuierliche Analyse des Schallsignals 9“ kann die Geschwindigkeit der Bondwellenfront berechnet und, falls notwendig, durch andere Methoden geändert oder angepasst werden. Die Ermittlung der Geschwindigkeit der Bondwellenfront erfolgt vorzugsweise über die Messung der Laufzeit. Kennt man die Schallgeschwindigkeit in dem Material des Substrats 2u, 2o, das vermessen wird, kann man über die Laufzeit des Signals 9, 9‘, 9“ den Abstand zur Bondwellenfront 10 bestimmen. Trägt man die so ermittelten Abstände als Funktion der Zeit in einem x-t Diagramm auf, kann man durch die Tangente an einem beliebigen Punkt die Geschwindigkeit in diesem Punkt ermitteln. Im Allgemeinen wird die so ermittelte Zeit-Position Kurve unterhalb der Zeit-Position Kurve des Schallsignals liegen.

[00118] Die Figur 1d zeigt einen vierten erfindungsgemäßen Prozessschritt bei dem die beiden Substrate 2o, 2u vollständig miteinander verbondet worden sind. Denkbar und wahrscheinlich ist ein verändertes Schallsignal 9‘“, das sich in Bezug zur Amplitude und/oder Frequenz deutlich von den vorhergehenden Schallsignalen 9, 9‘,9“ unterscheidet, da die Bondwellenfront 10 das Ende der Substrate 2u, 2o erreicht hat. Damit wird auch die Detektion eines vollständige d.h. vollflächige abgeschlossenen Bonds ermöglicht.

[00119] Die Figur 2 zeigt eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der mehrere Schallelemente 4 in einem unteren Substrathalter 1u eingebaut sind. Die Schallelemente 4 sind vorzugsweise zueinander synchronisiert. Jedes der Schallelemente 4 kann ein Schallsignal von einer sich ausbreitenden Bondwellenfront 10 detek-tieren. Damit steigt die Genauigkeit der Vermessung der Position der Bondwellenfront 10. Des Weiteren ist damit nicht nur eine Vermessung der radialen Position der Bondwellenfront 10 möglich, sondern eine Vermessung der Bondwellenfront 10 in der gesamten Oberfläche. Sollte die Bondwellenfront 10 sich anisotrop ausbreiten, kann mit der erfindungsgemäßen Ausführungsform die Asymmetrie ermittelt werden. Vorzugsweise wird die Bondwellenfront 10 dann in ein polares Koordinatensystem eingetragen und die Bondwellenfront 10 durch einen polaren Winkel und einen Radius beschrieben.

[00120] Die Figur 3 zeigt ein beispielhaftes Zeit-Position Diagramm mit zwei Zeit- Positions Kurven 11, 1T. Die erste Zeit-Position Kurve 11 stellt den idealen Zeit-Position Verlauf einer Schallwelle durch ein, vorzugsweise unendlich große gedachtes, Substrat 2u, 2o dar. Diese Zeit-Position Kurve 11 kann bei Kenntnis der Schallgeschwindigkeit für das entsprechend zu untersuchende Material sofort eingezeichnet werden. Die Position der Bondwelle kann bei Kenntnis der Schallgeschwindigkeit sofort aus dem Produkt der Schallgeschwindigkeit mit der Laufzeit des Signals berechnet werden. Bei einer aktiven Messung muss darauf geachtet werden, dass die Laufzeit doppelt so lange ist, da ein Schallimpuls aktiv in das System eingekoppelt wird, eine gewisse Strecke durchläuft, reflektiert wird und dieselbe Strecke zurücklegen muss um detektiert werden zu können. Die Zeit-Position Kurve ist dahingehend ideal, dass sie keine Abweichungen von der Linearität aufzeigt. Die zweite Zeit-Position Kurve 1T stellt den Zeit-Position Verlauf der vermessenen Bondwellenfront 10 dar. Die Positionswerte der Zeit-Position Kurve 1T ergeben sich durch Multiplikation der Zeitwerte der verschiedenen Messsignale 9, 9‘, 9“,9‘“ mit der Schallgeschwindigkeit im Material der vermessenen Substrate 2u, 2o. Eine Tangente 12‘ in einem Punkt 14 der Zeit- Position Kurve 1T besitzt vorzugsweise immer eine Steigung 13‘ die kleiner ist als die Steigung 13 der Tangente 12 der Zeit-Position Kurve 11. Die Zeit- Position Kurve 11 ist eine gerade und stellt damit selbst ihre eigene Tangente 12 dar. Damit ist die Geschwindigkeit der Bondwellenfront 10 immer kleiner als die Schallgeschwindigkeit im Material der vermessenen Substrate 2u, 2o. Insbesondere im Randbereich der Substrate 2u, 2o kann die Geschwindigkeit der Bondwellenfront 10 allerdings relativ große Werte annehmen, da mit abnehmender Bondfläche auf der unterstützende Luftpolster zwischen den Substratbondoberflächen 2os, 2us abnimmt. Die dargestellte Zeit-Position Kurve 1T ist nur eine von vielen möglichen Kurven 1T. Die Kurve 1T ist abhängig von der Oberflächenrauheit der Substratbondoberflächen 2os, 2us, von vorhandenen Strukturen in oder auf den Substratbondoberflächen 2os, 2us, der Gase zwischen den Substratbondoberflächen 2os, 2us, der Temperatur etc. Eine abnehmende Steigung 13‘ könnte beispielsweise auf eine Abnahme der Oberflächen rauheit hinweisen. Eine Unregelmäßig laufende Bondwellenfront 10 deutet im Allgemeinen auf das Vorhandensein von Elementen hin, die die Bewegung der Bondwellenfront 10 behindern wie beispielsweise Gaseinschlüsse.

BEZUGSZEICHEN 10, 1u Substrathalter 2o, 2u Substrat 2or, 2ur Substratrückseite 2os, 2us Substratbondoberfläche 3 Verformungselement 4 Schallelement 5 Aufzeichnungsgerät 6 Messlinie 7 Fixierelement 8 Ausrichtungsmarke 9, 9‘, 9“,9‘“ Messsignal 10 Bondwellenfront 11, 11 ‘ Zeit-Position Kurve 12,12' Tangente 13, 13' Steigung 14 Punkt 15 Schallelementfeld 16 Vorrichtung

Claims (2)

Anspruch

1. Verfahren zur Vermessung einer Bondwellenfront (10) zwischen zwei Substraten (2u, 2o) mit folgenden Prozessschritten • Ausrichtung der beiden Substrate (2u, 2o) zueinander • Verformung von mindestens einem der beiden Substrate (2u, 2o) mit Hilfe eines Verformungselements (3) • Kontaktierung der beiden Substrate (2u, 2o) • Einkopplung von Schallwellen in mindestens eines der beiden Substrate (2u,2o) • Messung von Schallwellen in mindestens einem der beiden Substrate (2u,2o) während der Ausbreitung der Bondwellenfront (10) dadurch gekennzeichnet, dass die durchgeführten Messungen der Schallwellen die Berechnung der Position der Bondwellenfront (10) als Funktion der Zeit erlauben. Hierzu

2 Blatt Zeichnungen