DE102010027703B4 - Verfahren und Vorrichtung zum Entfernen eines reversibel angebrachten Vorrichtungswafers von einem Trägersubstrat - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zum Entfernen eines reversibel angebrachten Vorrichtungswafers von einem Trägersubstrat Download PDF

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Abstract

Ringklemme (41) zum Trennen von gebondeten Substraten, die ein erstes Substrat (12) und ein zweites Substrat (22) enthalten, wobei die Ringklemme einen planaren Ringklemmenkörper (42) mit einer runden Form und einer zentralen Öffnung (43) hat, wobei der Körper (42) aufweist: eine ringförmige innere Seitenwand (45); eine ringförmige äußere Seitenwand (46); eine obere Oberfläche (48), die sich zwischen der inneren Seitenwand (45) und der äußeren Seitenwand (46) erstreckt; eine Wafereingriffsfläche (50), die sich von der inneren Seitenwand (45) nach außen erstreckt, wobei die Wafereingriffsfläche (50) an einem Punkt in dem Körper endet, der von der äußeren Seitenwand (46) beabstandet ist; und eine sich nach innen erstreckende ringförmige Rippe (52), die von diesem Punkt nach innen gerichtet und weg von der Wafereingriffsfläche (50) abgeschrägt ist, wobei die Wafereingriffsfläche (50) und die ringförmige Rippe (52) zusammen eine ringförmige Waferaufnahmenut (58) bilden, wobei der Ringklemmenkörper (42), wenn er eingeklemmt ist, nur mit dem zweiten Substrat (22) in Eingriff steht und keinen Kontakt mit dem ersten Substrat (12) hat.

Description

  • Die vorliegende Erfindung befasst sich allgemein mit neuen Verfahren und Vorrichtungen zum temporären Waferdebonding mit Hilfe derer ein Vorrichtungswafer nach einer Waferverdünnung und anderen Rückseitenbearbeitungen von einem Trägersubstrat entfernt werden kann.
  • Die US 2009/0218560 A1 betrifft ein Verfahren zum reversiblen Befestigen eines Vorrichtungswafers an einem Trägersubstrat, offenbart aber keine detaillierten Informationen hinsichtlich des Entfernens dieses Vorrichtungswafers.
  • Die DE 101 21 115 A1 beschreibt eine Haltevorrichtung für Wafer, die joch nicht geeignet ist, um einen Vorrichtungswafer von einem Trägersubstrat zu entfernen.
  • Die US 5 897 743 A beschreibt eine Lösung zum Trennen eines Wafers von einem Substrat, bei der ein Keil zwischen Wafer und Substrat getrieben wird.
  • Die JP 07240355 A betrifft ebenfalls das Trennen eines Wafers von einem Substrat. Das Trennen erfolgt auch hier durch Eintreiben einer keilförmigen Trennvorrichtung, um die Wafer/Substrat-Struktur aufzubrechen.
  • Integrierte Schaltungen, Leistungshalbleiter, lichtemittierende Dioden, photonische Schaltungen, mikroelektromechanische Systeme (MEMS), eingebettete passive Arrays, Packaging Interposer und ein Host von weiteren Silizium- und Verbindungshalbleiter-basierten Mikrovorrichtungen werden kollektiv in Arrays auf Wafersubstraten hergestellt, deren Durchmesser von 1 bis 12 Zoll (2,54 cm bis 30,48 cm) reicht. Die Vorrichtungen werden anschließend in individuelle Vorrichtungen oder Rohchips (engl.: ”dies”) getrennt, die gepackt sind, um eine praktische Kopplung mit der makroskopischen Umgebung zu ermöglichen, zum Beispiel durch Verbindung mit einer gedruckten Leiterplatte. Es erfreut sich zunehmender Beliebtheit, die Vorrichtungspackung auf dem oder um den Rohchip herum zu konstruieren, während sie nach wie vor Teil des Waferarrays ist. Diese Praxis, die als Wafer-Level-Packaging bezeichnet wird, verringert die Gesamtpackungskosten und ermöglicht die Realisierung eine höhere Kopplungsdichte zwischen der Vorrichtung und seiner mikroelektronischen Umgebung im Vergleich zu traditionelleren Packungen, die üblicherweise Außenabmessungen haben, die um ein Vielfaches größer sind als bei der gegenwärtige Vorrichtung.
  • Bis vor kurzem haben sich Verbindungsschemata allgemein auf zwei Dimensionen beschränkt, was bedeutet, dass die elektrischen Verbindungen zwischen der Vorrichtung und der entsprechenden Platten- oder Packungsoberfläche, an der sie angebracht ist, alle in einer horizontalen Ebene oder x-y-Ebene platziert wurden. In der Mikroelektronikindustrie wurde nun erkannt, dass bedeutende Zunahmen der Vorrichtungskopplungsdichte und entsprechende Verringerungen der Signalverzögerung (als ein Ergebnis der Verkürzung der Distanz zwischen elektrischen Verbindungspunkten) erreicht werden können, indem Vorrichtungen vertikal, das heißt in der z-Richtung, gestapelt und miteinander verbunden werden. Zwei übliche Erfordernisse für das Stapeln von Vorrichtungen sind: (1) Verdünnen der Vorrichtung in der Richtung durch den Wafer von der Rückseite; und (2) anschließendes Ausbilden von elektrischen Verbindungen durch den Wafer, was üblicherweise als Silizium-Durchkontaktierungen (engl. ”through-silicon-vias” oder ”TSVs”) bezeichnet wird, die auf der Rückseite der Vorrichtung enden. In diesem Fall ist das Verdünnen von Halbleitervorrichtungen nunmehr gängige Praxis geworden, und zwar auch dann, wenn Vorrichtungen nicht in einer gestapelten Konfiguration gepackt werden, weil es die Wärmeverteilung fördert und das Erreichen eines viel geringeren Formfaktors bei kompakten elektronischen Produkten ermöglicht, wie zum Beispiel bei Mobiltelefonen.
  • Es gibt ein wachsendes Interesse hinsichtlich des Verdünnens von Halbleitervorrichtungen auf weniger als 100 Mikrometer, um deren Profile zu verringern, insbesondere dann, wenn sie oder die entsprechenden Packungen, in denen sie sich befinden, gestapelt sind, und um die Bildung von elektrischen Rückseitenverbindungen auf den Vorrichtungen zu erleichtern. Siliziumwafer, die bei der Herstellung von integrierten Schaltungen hohen Volumens verwendet werden, weisen typischerweise Durchmesser von 200 oder 300 mm und eine Dicke durch den Wafer von etwa 750 Mikrometer auf. Ohne Verdünnung wäre es nahezu unmöglich, elektrische Rückseitenkontakte zu bilden, die mit einer vorderseitigen Schaltung verbunden sind, indem die Verbindungen durch den Wafer geführt werden. Hocheffiziente Verdünnungsprozesse für Silizium mit Halbleiterqualität und Verbindungshalbleiter, die auf mechanischem Schleifen (Rückseitenschleifen) und Polieren sowie chemischem Ätzen basieren, werden nunmehr gewerblich eingesetzt. Durch diese Verfahren wird eine Verringerung der Dicke der Vorrichtungswafer auf weniger als 100 Mikrometer in wenigen Minuten ermöglicht, während eine genaue Kontrolle über die Gleichmäßigkeit der Waferquerdicke beibehalten wird.
  • Vorrichtungswafer, die auf weniger als 100 Mikrometer verdünnt worden sind, und insbesondere solche, die auf weniger als 60 Mikrometer verdünnt worden sind, sind extrem zerbrechlich und müssen über ihre vollen Abmessungen abstützend gehalten werden, um Rissbildung und Zerbrechen zu verhindern. Zum Transportieren ultradünner Vorrichtungswafer sind verschiedene Wafer-Stäbe und -Futter (engl. ”wafer wands and chucks”) entwickelt worden, aber es existiert nach wie vor das Problem, wie die Wafer während der Rückseitenschleif- und TSV-Bildungsprozesse, welche Schritte wie chemisch-mechanisches Polieren (CMP), Lithographie, Ätzen, Abscheidung, Glühen und Reinigen beinhalten, abstützend gehalten werden sollen, weil der Vorrichtungswafer durch diese Schritte hohen thermischen und mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt wird, wenn er verdünnt wird oder nachdem er verdünnt worden ist. Ein zunehmend beliebter Ansatz zur Handhabung von ultradünnen Wafern umfasst das Anbringen des Vorrichtungswafers, der noch seine volle Dicke hat, mit der Vorderseite nach unten (engl. ”face down”) an einem starren Träger mit einem polymeren Haftmittel. Er wird anschließend verdünnt und von der Rückseite her bearbeitet. Der vollständig bearbeitete, ultradünne Wafer wird dann, nachdem die Rückseitenbearbeitung beendet wurde, durch thermische, thermomechanische oder chemische Verfahren von dem Träger entfernt oder debondet.
  • Gängige Trägermaterialien schließen Silizium (z. B. einen rohen Vorrichtungswafer), Natronkalkglas, Borosilikatglas, Saphir sowie verschiedene Metalle und Keramiken ein. Die Träger können quadratisch oder rechteckig sein, sind üblicherweise aber rund und der Größe nach so an den Vorrichtungswafer angepasst, dass die gebondete Anordnung in herkömmlichen Bearbeitungsgeräten und -kassetten gehandhabt werden kann. Manchmal sind die Träger perforiert, um den Debondingprozess zu beschleunigen, wenn ein flüssiges chemisches Mittel als Trennmittel verwendet wird, um das polymere Haftmittel aufzulösen oder zu zersetzen.
  • Die polymeren Haftmittel, die zum temporären Waferbonding verwendet werden, werden typischerweise durch Rotationsbeschichtung oder Sprühbeschichtung aus einer Lösung oder durch Laminieren als Trockenfolienstreifen aufgetragen. Durch Rotation und durch Sprühen aufgetragene Haftmittel werden zunehmend bevorzugt, weil sie Beschichtungen mit höherer Dickengleichmäßigkeit bilden als dies durch Streifen erreicht werden kann. Eine höhere Dickengleichmäßigkeit führt zu einer besseren Kontrolle über die Dickengleichmäßigkeit in Querrichtung des Wafers nach dem Verdünnen. Die polymeren Haftmittel weisen eine hohe Bondingfestigkeit bezüglich des Vorrichtungswafers und des Trägers auf.
  • Das polymere Haftmittel kann auf den Vorrichtungswafer, den Träger oder beide durch Rotation aufgetragen werden, abhängig von der erforderlichen Dicke und Beschichtungsplanarität (Ebenheit). Der beschichtete Wafer wird gebacken, um sämtliches Beschichtungslösungsmittel aus der polymeren Haftmittelschicht zu entfernen. Der beschichtete Wafer und Träger werden anschließend zum Bonden in einer beheizten mechanischen Presse in Kontakt gebracht. Eine ausreichende Temperatur und ein ausreichender Druck werden angelegt, um zu bewirken, dass das Haftmittel in die strukturellen Merkmale des Vorrichtungswafers fließt und diese füllt, und um einen innigen Kontakt mit sämtlichen Gebieten des Vorrichtungswafers und der Trägeroberflächen zu erreichen.
  • Das Debonden eines Vorrichtungswafers von dem Träger, das sich an die Rückseitenbearbeitung anschließt, wird typischerweise auf einem von vier Wegen durchgeführt:
    • (1) Chemisch – Der gebondete Waferstapel wird in ein Lösungsmittel oder chemisches Mittel eingetaucht oder damit besprüht, um das polymere Haftmittel aufzulösen oder zu zersetzen.
    • (2) Photozersetzung – Der gebondete Waferstapel wird mit einer Lichtquelle durch einen transparenten Träger bestrahlt, um die Haftmittelgrenzschicht, die an den Träger anschließt, durch Photozersetzung aufzulösen. Der Träger kann dann von dem Stapel getrennt werden, und der Rest des polymeren Haftmittels wird von dem Vorrichtungswafer entfernt, während er auf einem Futter gehalten wird.
    • (3) Thermomechanisch – Der gebondete Waferstapel wird über die Erweichungstemperatur des polymeren Haftmittels hinaus erhitzt, und der Vorrichtungswafer wird anschließend von dem Träger abgeschoben oder abgezogen, während er mit einem Haltefutter (engl.: ”holding chuck”) abstützend gehalten wird, das den gesamten Wafer hält.
    • (4) Thermische Zersetzung – Der gebondete Waferstapel wird über die Zersetzungstemperatur des polymeren Haftmittels hinaus erhitzt, was dazu führt, dass es verdampft und die Haftung gegenüber dem Vorrichtungswafer und dem Träger verliert.
  • Jedes dieser Debondingverfahren weist Nachteile auf, die dessen Verwendung in einer Produktionsumgebung ernsthaft einschränken. Zum Beispiel ist das chemische Debonden durch Auflösen des polymeren Haftmittels ein langsamer Prozess, weil das Lösungsmittel über große Distanzen durch das viskose Polymermedium diffundieren muss, um eine Abtrennung zu bewirken. Das heißt, das Lösungsmittel muss vom Rand der gebondeten Substrate, oder von einer Perforation in dem Träger, in die lokale Region des Haftmittels diffundieren. In jedem Fall beträgt die minimale Entfernung, die für Lösungsmitteldiffusion und -penetration erforderlich ist, mindestens 3–5 mm und kann viel größer sein, sogar wenn Perforationen vorhanden sind, um den Lösungsmittelkontakt mit der Haftmittelschicht zu erhöhen. Behandlungszeiten von mehreren Stunden, sogar bei erhöhten Temperaturen (> 60°C), sind üblicherweise erforderlich, damit das Debonding auftritt, was bedeutet, dass der Waferdurchsatz gering sein wird.
  • Die Photozersetzung ist ebenfalls ein langsamer Prozess, weil das gesamte gebondete Substrat nicht gleichzeitig belichtet werden kann. Stattdessen muss die belichtende Lichtquelle, die üblicherweise ein Laser mit einem Strahlquerschnitt von nur wenigen Millimetern ist, zu einem bestimmten Zeitpunkt auf ein kleines Gebiet fokussiert werden, um ausreichend Energie zu liefern, damit die Zersetzung der Haftmittel-Bondlinie auftritt. Der Strahl wird anschließend in einer seriellen Weise quer über das Substrat gescannt (oder gerastert), um die gesamte Oberfläche zu debonden, was zu langen Debondingzeiten führt.
  • Obwohl das thermomechanische (TM) Debonden typischerweise in wenigen Minuten durchgeführt werden kann, weist es andere Einschränkungen auf, die die Vorrichtungsausbeute verringern können. Rückseitenprozesse für temporär gebondete Vorrichtungswafer umfassen häufig Arbeitstemperaturen von mehr als 200°C oder sogar 300°C. Die polymeren Haftmittel, die für das TM-Debonding verwendet werden, dürfen bei oder nahe der Arbeitstemperatur weder zerfallen noch stark erweichen, da sonst das Debonding frühzeitig auftreten würde. Als eine Folge sind die Haftmittel normalerweise so ausgestaltet, dass sie bei 20–50°C oberhalb der Arbeittemperatur ausreichend erweichen, damit das Debonding auftritt. Als Folge der thermischen Ausdehnung wird das gebondete Paar durch die hohe Temperatur, die für das Debonding erforderlich ist, einer starken Beanspruchung ausgesetzt. Gleichzeitig verursacht die hohe mechanische Kraft, die erforderlich ist, um den Vorrichtungswafer durch eine Gleit-, Hebe- oder Drehbewegung von dem Träger wegzubewegen, zusätzliche Belastungen, die dazu führen können, dass der Vorrichtungswafer zerbricht oder dass innerhalb der mikroskopischen Schaltung einzelner Vorrichtungen Schäden erzeugt werden, was zu Vorrichtungsausfällen und Ausbeuteverlusten führt.
  • Das Debonden durch thermische Zersetzung (TD) ist ebenfalls anfällig für das Zerbrechen der Wafer. Wenn das polymere Haftmittel zersetzt wird, werden Gase erzeugt, und diese Gase können zwischen dem Vorrichtungswafer und dem Träger eingeschlossen werden, bevor der Großteil des Haftmittels entfernt worden ist. Die Ansammlung eingeschlossener Gase kann dazu führen, dass der dünne Vorrichtungswafer Blasen bekommt und rissig wird oder sogar zerspringt. Ein weiteres Problem beim TD-Debonden besteht darin, dass eine Polymerzersetzung oft mit der Bildung von hartnäckigen Verkohlungsrückständen einhergeht, die durch gewöhnliche Reinigungstechniken nicht von dem Vorrichtungswafer entfernt werden können.
  • Die Einschränkungen dieser Debondingverfahren für polymere Haftmittel gemäß Stand der Technik haben zu einem Bedarf an neuen Arten der trägergestützten Handhabung von dünnen Wafern geführt, die einen hohen Waferdurchsatz liefern und die Wahrscheinlichkeit des Zerbrechens von Vorrichtungswafern sowie innere Schäden der Vorrichtung verringern oder beseitigen.
  • Mit Hilfe der vorliegenden Erfindung wird allgemein eine neuartige Ringklemme zum Trennen gebondeter Substrate, die ein erstes Substrat und ein zweites Substrat enthalten, mit den Merkmalen von Anspruch 1 zur Verfügung gestellt. Die Ringklemme hat einen planaren Körper mit einer im Wesentlichen runden Form und einer zentralen Öffnung. Der Körper hat eine ringförmige innere Seitenwand; eine ringförmige äußere Seitenwand; eine obere Oberfläche, die sich zwischen der inneren Seitenwand und der äußeren Seitenwand erstreckt; eine Wafereingriffsfläche, die sich von der inneren Seitenwand nach außen in eine im Wesentlichen parallele Ausrichtung mit der oberen Oberfläche erstreckt, wobei die Wafereingriffsfläche an einem Punkt in dem Körper endet, der von der äußeren Seitenwand beabstandet ist; und eine sich nach innen erstreckende ringförmige Rippe, die von diesem Punkt nach innen gerichtet und weg von der Wafereingriffsfläche abgeschrägt ist. Die Wafereingriffsfläche und die ringförmige Rippe bilden zusammen eine ringförmige Waferaufnahmenut, wobei der Ringklemmenkörper, wenn er eingeklemmte ist, nur mit dem zweiten Substrat in Eingriff steht und keinen Kontakt mit dem ersten Substrat hat.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft außerdem allgemein ein neuartiges temporäres Bondingverfahren mit den Merkmalen von Anspruch 11. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines Stapels mit einem ersten Substrat und einem zweiten Substrat, das mit dem ersten Substrat gebondet ist, sowie das Trennen des ersten Substrats von dem zweiten Substrat unter Anwendung einer Abziehbewegung. Das erste Substrat hat eine Rückseitenoberfläche und eine Vorrichtungsoberfläche, wobei die Vorrichtungsoberfläche eine periphere Region und eine zentrale Region hat. Das zweite Substrat hat eine Trägeroberfläche, eine Rückseitenoberfläche und eine äußerste Kante, durch die die Peripherie des zweiten Substrats gebildet ist, wobei die Trägeroberfläche eine periphere Region und eine zentrale Region hat. Das erste und zweite Substrat werden getrennt, indem eine Kraft auf einen Bereich der Peripherie des zweiten Substrats aufgebracht wird, wodurch bewirkt wird, dass das zweite Substrat mit einem Winkel weg von dem Stapel gebogen wird, wodurch gemäß dem Verfahren das erste Substrat von dem zweiten Substrat getrennt wird.
  • Beschrieben wird außerdem allgemein ein Verfahren zum Ausbilden einer temporären Waferbondingstruktur. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines ersten Substrats mit einer Vorderseitenoberfläche und einer Rückseitenoberfläche; das Ausbilden einer Bondingschicht auf der Vorderseitenoberfläche des ersten Substrats; das Bereitstellen eines zweiten Substrats mit einer Vorderseitenoberfläche und einer Rückseitenoberfläche, wobei die Vorderseitenoberfläche eine oberflächenmodifizierte Region, eine nichtmodifizierte Region und eine optionale Maske benachbart zu der nichtmodifizierten Region aufweist; und das Kontaktieren der Vorderseitenoberfläche des zweiten Substrats mit der Bondingschicht auf dem ersten Substrat, um dadurch die temporäre Bondingstruktur zu bilden. Vorteilhafterweise weisen die Bondingschicht und die oberflächenmodifizierte Region des zweiten Substrats zwischen sich eine geringe Bondingkopplung auf.
  • 1 ist eine schematische Querschnittsansicht von einem Waferstapel;
  • 2 ist eine schematische Zeichnung, die eine alternative Ausführungsform zum Bonden von Substraten zeigt;
  • 3 ist eine schematische Zeichnung, die eine weitere alternative Ausführungsform zum Bonden von Substraten zeigt;
  • 4 ist eine schematische Zeichnung, die noch eine weitere alternative Ausführungsform zum Bonden von Substraten zeigt;
  • 5(a) ist eine Draufsicht von einer Ringklemme zum Trennen von gebondeten Substraten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
  • 5(b) ist eine Draufsicht von einer scheibenförmigen Klemme zum Trennen von gebondeten Substraten, die nicht Gegenstand der Erfindung ist;
  • 6(a) ist eine bruchstückhafte Querschnittsansicht von einer Ringklemmenvorrichtung entlang Querschnittslinie 6(a) in 5(a) zum Trennen von gebondeten Substraten gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
  • 6(b) ist eine vergrößerte freigeschnittene Querschnittsansicht der Ringklemme aus 6(a), die mit einem Waver eines gebondeten Stapels gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Eingriff steht;
  • 6(c) ist eine bruchstückhafte Querschnittsansicht von einer scheibenförmigen Klemmenvorrichtung entlang Querschnittslinie 6(c) in 5(b) zum Trennen von gebondeten Substraten;
  • 7 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Ausführungsform der Erfindung, bei der die Ringklemme und ein Vakuumfutter zum Trennen der gebondeten Substrate verwendet wird;
  • 8 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Ausführungsform der Erfindung, bei der die Ringklemme und ein mit einem Haftfilm überdecktes Futter zum Trennen der gebondeten Substrate verwendet wird;
  • 9 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Ausführungsform der Erfindung, in der der Trennprozess gemäß der Erfindung dargestellt ist;
  • 10 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Ausführungsform der Erfindung, bei der ein flexibles Futter und ein Vakuumfutter zum Trennen der gebondeten Substrate verwendet wird;
  • 11 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Ausführungsform der Erfindung, bei der ein flexibles Futter und ein mit Haftmittel überdecktes Futter zum Trennen der gebondeten Substrate verwendet wird;
  • 12 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Haftfilm und ein Vakuumfutter zum Trennen der gebondeten Substrate verwendet wird; und
  • 13 ist eine schematische Querschnittsansicht einer Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Haftfilm und ein mit einem Haftfilm überdecktes Futter zum Trennen der gebondeten Substrate verwendet wird.
  • In größerem Detail werden durch die vorliegende Erfindung neuartige Demountingverfahren und -vorrichtungen zum Trennen von temporär, permanent oder semi-permanent gebondeten Substraten, wie zum Beispiel in einem Waferstapel, unter Verwendung einer Abziehbewegung zur Verfügung gestellt. Die hier verwendeten Bezugnahmen auf ”Abziehen”, ”abgezogen” oder eine ”Abziehbewegung” beziehen sich auf das sukzessive Ablösen der gebondeten Oberfläche des abzutrennenden Substrats, beginnend am äußersten Rand von einem Bereich der Peripherie des Substrats, das sich quer entlang der Substratoberfläche zu einem gegenüberliegenden Rand/Seite des Substrats fortsetzt. Die hier verwendeten Bezugnahmen auf ”einen Bereich” der Peripherie beziehen sich auf einen Abschnitt der Peripherie, der kleiner ist als die gesamte Peripherie (und vorzugsweise kleiner ist als etwa 1/2 oder kleiner als etwa 1/4 der Peripherie), und können mehr als eine Position um die Peripherie des Substrats umfassen, an denen das Abziehen eingeleitet wird (vorzugsweise 4 oder weniger Positionen, bevorzugter 2 oder weniger Positionen, und noch bevorzugter eine Position). Allgemein wird zum Auseinanderziehen der Substrate eine nach oben gerichtete Kraft auf einen Bereich der Peripherie des Substrats aufgebracht, wodurch bewirkt wird, dass das Substrat mit einem Winkel weg von dem Stapel gebogen und abgelenkt wird, wodurch das Substrat an diesem Bereich der äußersten Kante anfänglich von dem Stapel abgetrennt wird, gefolgt von der sukzessiven Trennung des Substrats von dieser anfänglichen Kante hin zu der gegenüberliegenden Kante des Substrats, bis die gesamte Substratoberfläche von dem Stapel abgetrennt (d. h. abgezogen) ist. Verschiedene Verfahren und Vorrichtungen, die eine neuartige Ringklemme beinhalten, um diese Abziehbewegung zu erleichtern, sind nachfolgend im Detail beschrieben, und zwar zusammen mit verschiedenen geeigneten Verfahren zum Ausbilden der temporär, permanent oder semi-permanent gebondeten Substrate, die in der Erfindung verwendet werden.
  • 1 zeigt eine Ausführungsform von einem Stapel 10 aus zwei reversibel gebondeten Wafern. Geeignete Verfahren zum Herstellen eines solchen Stapels sind im US-Patent Nr. 2009/0218560 , angemeldet am 23. Januar 2009, offenbart, die hiermit in ihrer Gesamtheit in einem Umfang einbezogen wird, der mit der vorliegenden Anmeldung vereinbar ist. Es ist offensichtlich, dass die Reihenfolge zum Zusammenbauen oder Aufbringen der Komponenten, um den Waferstapel 10 zu bilden, wie in der US-Patentanmeldung Nr. 2009/0218560 offenbart, variieren und in irgendeiner Reihenfolge durchgeführt werden kann, die geeignet ist, um den Stapel 10 herzustellen, der in 1 dargestellt ist.
  • Die Struktur des Stapels 10 beinhaltet ein erstes Substrat 12. In diesem Ausführungsbeispiel ist das erste Substrat 12 ein Vorrichtungswafer. Das heißt, das Substrat 12 hat eine Vorderseitenoberfläche bzw. Vorrichtungsoberfläche 14, eine Rückseitenoberfläche 16 und eine äußerste Kante 17, durch die die Peripherie (Umfang) des Substrats definiert ist. Obwohl das Substrat 10 eine beliebige Form haben kann, hat es normalerweise eine runde Form, obwohl auch Waver-Flats verwendet werden können (runde Wafer mit einer oder mehreren geraden Kanten an der äußeren Peripherie des Wafers). Ungeachtet der Form hat die Vorderseiten- bzw. Vorrichtungsoberfläche 14 eine periphere Region 18 und eine zentrale Region 20. Die periphere Region 18 hat eine Breite von etwa 0,05 mm bis etwa 10 mm, bevorzugter von etwa 0,5 mm bis etwa 5 mm, und noch bevorzugter von etwa 1 mm bis etwa 2,5 mm.
  • Bevorzugte erste Substrate 12 umfassen Vorrichtungswafer, auf deren Vorrichtungsoberflächen Arrays von Vorrichtungen vorgesehen sind, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die integrierte Schaltungen, MEMS, Mikrosensoren, Leistungshalbleiter, lichtemittierende Dioden, photonische Schaltungen, Interposer, eingebettete passive Vorrichtungen und weitere Mikrovorrichtungen beinhaltet, die auf oder aus Silizium oder anderen halbleitenden Materialien hergestellt sind, wie zum Beispiel Silizium-Germanium, Galliumarsenid und Galliumnitrid. Die Oberflächen dieser Vorrichtungen enthalten üblicherweise Strukturen, die aus einem oder mehreren der folgenden Materialien gebildet sind: Silizium, Polysilizium, Siliziumdioxid, Silizium(oxy)nitrid, Metalle (z. B. Kupfer, Aluminium, Gold, Wolfram, Tantal), Dielektrika mit geringem k-Wert, Polymerdielektrika und verschiedene Metallnitriden und -silizide. Die Vorrichtungsoberfläche 14 kann außerdem erhöhte Strukturen aufweisen, wie zum Beispiel Lötstellen sowie Metallstifte und Metallsockel.
  • Der Stapel 10 umfasst außerdem ein zweites Substrat 22. In diesem speziellen Ausführungsbeispiel ist das zweite Substrat 22 ein Trägersubstrat. Das zweite Substrat 22 hat eine Trägeroberfläche 24 und eine Rückseitenoberfläche 26 sowie eine äußere Kante 27, durch die die Peripherie des Substrats 22 gebildet ist. Wie schon das erste Substrat 12 kann auch das zweite Substrat 22 eine beliebige Form haben, obwohl es normalerweise eine runde Form und/oder mindestens eine Abflachung hat. Außerdem ist das zweite Substrat 22 vorzugsweise bemessen, um etwa die gleiche Größe wie das erste Substrat 12 zu haben, so dass die äußere Kante 27 des zweiten Substrats 22 im Wesentlichen in der gleichen Ebene liegt wie die äußere Kante 17 des ersten Substrats 12. Unabhängig von der Form hat die Trägeroberfläche 24 eine periphere Region 28 und eine zentrale Region 30. Die periphere Region 28 hat vorzugsweise eine Breite von etwa 0,05 mm bis etwa 10 mm, bevorzugter von etwa 0,5 mm bis etwa 5 mm, und noch bevorzugter von etwa 1 mm bis etwa 2,5 mm.
  • Bevorzugte zweite Substrate 22 enthalten ein Material, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die Silizium, Saphir, Quarz, Metalle (z. B. Aluminium, Kupfer, Stahl) sowie verschiedene Glasarten und Keramiken umfasst. Das Substrat 22 kann auch andere Materialien enthalten, die auf dessen Oberfläche 24 abgelagert sind. Beispielsweise kann Siliziumnitrit auf einem Siliziumwafer abgelagert werden, um die Bonding-Eigenschaften der Oberfläche 24 zu verändern.
  • In der Zwischenschicht zwischen dem ersten Substrat 12 und dem zweiten Substrat 22 befindet sich eine Schicht 32 aus Füllmaterial benachbart zur Vorrichtungsoberfläche 14 bzw. zur Trägeroberfläche 24. Die Dicke der Schicht 32 (gemessen an ihrer dicksten Stelle) hängt von der Höhe der Topographie auf dem ersten Substrat 12 ab und kann zwischen etwa 5 µm bis etwa 150 µm reichen. In einigen Ausführungsformen reicht die bevorzugte Dicke von etwa 5 µm bis etwa 100 µm, bevorzugter von etwa 5 µm bis etwa 50 µm, und noch bevorzugter von etwa 10 µm bis etwa 30 µm.
  • Zum Bilden des Stapels 10 kann das Füllmaterial entweder auf das Substrat 12 oder auf das Substrat 22 durch irgendwelche herkömmlichen Mittel aufgebracht werden, die Rotationsbeschichten, Gießen aus der Lösung (z. B. Miniskusbeschichtung oder Walzenbeschichtung), Besprühen mit Tinte und Sprühbeschichten einschließen. Es ist bevorzugt, dass die Füllschicht 32 so aufgebracht wird, dass sie eine Dicke (gemessen an ihrer dicksten Stelle) von etwa 5 µm bis etwa 100 µm hat, bevorzugter von etwa 5 µm bis etwa 50 µm, und noch bevorzugter von etwa 10 µm bis etwa 30 µm. Bei Auftragen durch Rotationsbeschichtung wird das die Füllschicht 32 bildende Material typischerweise bei Geschwindigkeiten von etwa 100 U/min bis etwa 5000 U/min über einen Zeitraum von etwa 15 Sekunden bis etwa 300 Sekunden rotationsbeschichtet. Die Schicht wird dann nahe oder oberhalb des Siedepunkts des bzw. der Lösungsmittel, das in der Füllschicht 32 vorhanden ist (z. B. von etwa 80°C bis etwa 250°C), für einen Zeitraum von etwa 1 Minute bis etwa 15 Minuten gebacken, um den Gehalt an restlichem Lösungsmittel in der Füllschicht 32 auf weniger als etwa 1 Gew.-% zu reduzieren.
  • Die Füllschicht 32 wird typischerweise aus einem Material gebildet, das Monomere, Oligomere und/oder Polymere enthält, die in einem Lösungsmittelsystem dispergiert oder gelöst sind. Falls die Füllschicht durch Rotationsbeschichtung aufgetragen wird, ist es bevorzugt, dass der Feststoffgehalt dieses Materials etwa 1 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-% beträgt, bevorzugter etwa 5 Gew.-% bis etwa 40 Gew.-%, und noch bevorzugter etwa 10 Gew.-% bis etwa 30 Gew.-%. Beispiele geeigneter Monomere, Oligomere und/oder Polymere umfassen solche, die aus der Gruppe ausgewählt sind, Cycloolefinpolymere und -copolymere sowie amorphe Fluorpolymere mit hohem Gehalt an Fluoratomen (mehr als etwa 30 Gew.-%) enthält, wie zum Beispiel fluorierte Siloxanpolymere, fluorierte Ethylenpropylen-Copolymere, Polymere mit Perfluoralkoxyseitengruppen sowie Copolymere von Tetrafluorethylen und 2,2-bis-Trifluormethyl-4,5-difluor-1,3-dioxol, was besonders bevorzugt ist. Es ist offensichtlich, dass die Bondingfestigkeit dieser Materialien von deren spezifischen chemischen Strukturen sowie von den Beschichtungs- und Backbedingungen abhängt, die verwendet werden, um sie aufzutragen.
  • Beispiele geeigneter Lösungsmittelsysteme für Cycloolefinpolymere und -copolymere umfassen Lösungsmittel, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aliphatische Lösungsmittel beinhaltet, wie zum Beispiel Hexan, Decan, Dodecan und Dodecen; alkylsubstituierte aromatische Lösungsmittel, wie zum Beispiel Mesitylen; und Mischungen daraus. Geeignete Lösungsmittelsysteme für amorphe Fluorpolymere beinhalten Fluorkohlenstofflösungsmittel, die beispielsweise unter der Marke FLUORINERT® von der 3M Corporation verkauft werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann die Füllschicht 32 auch aus einem polymeren Material gebildet sein, das dispergierte Nanopartikel enthält. Geeignete Nanopartikelmaterialien umfassen solche, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die Aluminiumoxid, Ceroxid, Titandioxid, Siliziumdioxid, Zirkonium, Graphit und Mischungen davon enthält.
  • Das Material, aus dem die Füllschicht 32 gebildet wird, sollte bei Temperaturen von etwa 150°C bis etwa 350°C, und vorzugsweise von etwa 200°C bis 300°C, stabil bleiben. Zudem sollte dieses Material bei den chemischen Bedingungen, denen es bei den bestimmten Rückseitenprozessen ausgesetzt wird, stabil sein. Die Füllschicht 32 sollte sich nicht zersetzen (d. h. weniger als etwa 1% Gewichtsverlust) oder anderweitig ihre mechanische Integrität unter diesen Bedingungen verlieren, zum Beispiel durch Schmelzen. Die Füllschicht 32 sollte ferner keine Entgasung zeigen, die dazu führen könnte, dass die dünnen Vorrichtungswafer Blasen bilden oder sich verformen, insbesondere dann, wenn sie Hochvakuumprozessen unterzogen werden, wie zum Beispiel während der Abscheidung von dielektrischen CVD-Schichten.
  • In dieser Ausführungsform bildet die Füllschicht 32 vorzugsweise keine starken Haftverbindungen, wodurch das spätere Abtrennen erleichtert wird. Allgemein ausgedrückt: gewünschte Materialien umfassen amorphe polymere Materialien, die (1) geringe freie Oberflächenenergien haben; (2) nicht klebrig sind und dafür bekannt sind, nicht stark an Glas-, Silizium- und Metalloberflächen zu haften (d. h. normalerweise sehr geringe Konzentrationen an Hydroxyl- oder Carbonsäuregruppen aufweisen, und vorzugsweise keine solchen Gruppen); (3) aus einer Lösung gegossen werden können oder zu einer dünnen Folie zwecks Laminierung verarbeitet werden können; (4) unter typischen Bondingbedingungen fließen, um die Vorrichtungswafer-Oberflächentopographie zu füllen, wodurch zwischen den Substraten eine hohlraumfreie Bondlinie gebildet wird; und (5) unter mechanischen Beanspruchungen, denen sie während der Rückseitenbearbeitung begegnen, keine Risse bilden, nicht fließen oder sich neu verteilen, selbst dann nicht, wenn diese bei hohen Temperaturen oder unter Hochvakuumbedingungen durchgeführt werden. So wie hierin verwendet, ist die geringe freie Oberflächenenergie als ein polymeres Material oder als eine Oberfläche definiert, die einen Kontaktwinkel mit Wasser von mindestens etwa 90° und eine kritische Oberflächenspannung von weniger als etwa 40 dynes/cm zeigt, vorzugsweise weniger als etwa 30 dynes/cm, und noch bevorzugter etwa 12 dynes/cm bis etwa 25 dynes/cm, was durch Kontaktwinkelmessungen bestimmt wird.
  • Die geringe Bondingfestigkeit bezieht sich auf polymere Materialien oder Oberflächen, die nicht haften oder mit nur geringem Handdruck von einem Substrat abgezogen werden können, wie er verwendet werden könnte, um ein klebriges Notizpapier abzuziehen. Somit wäre zur Verwendung als Füllschicht 32 irgendetwas mit einer Haftstärke von weniger als etwa 50 psig erwünscht, vorzugsweise weniger als etwa 35 psig, und noch bevorzugter von etwa 1 psig bis etwa 30 psig. So wie hier verwendet, ist die Haftstärke mittels ASTM D4541/D7234 bestimmt. Beispiele von geeigneten polymeren Materialien, die die obigen Eigenschaften haben, umfassen Cycloolefinpolymere und -copolymere, die unter den Bezeichnungen APEL® von Mitsui, TOPAS® von Ticona und ZEONOR® von Zeon brands verkauft werden, sowie lösungsmittellösliche Fluorpolymere, wie zum Beispiel CYTOP®-Polymere, die von Asahi Glass verkauft werden, und TEFLON® AF Polymere, die von DuPont verkauft werden. Die Bondingfestigkeit dieser Materialien hängt von den Beschichtungs- und Backbedingungen ab, die verwendet werden, um sie aufzutragen.
  • Wie in 1 gezeigt, wurde der äußerste Bereich der Füllschicht 32 entfernt und befindet sich nur noch benachbart zu den zentralen Regionen 20 und 30 der Vorrichtungsoberfläche 14 bzw. der Trägeroberfläche 24. Dies kann durch irgendein Mittel erreicht werden, das das Entfernen der gewünschten Menge ohne Beschädigen des ersten Substrats 12 ermöglicht, einschließlich das Auflösen des äußersten Bereichs mit einem Lösungsmittel, das dafür bekannt ist, ein gutes Lösungsmittel für das Material zu sein, aus dem die Füllschicht 32 gebildet ist. Beispiele solcher Lösungsmittel beinhalten solche, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aliphatische Lösungsmittel (z. B. Hexan, Decan, Dodecan und Dodecen), Fluorkohlenstofflösungsmittel und Mischungen daraus enthält. Nach Entfernung der Kante weist die Füllschicht 32 eine äußerste Kante 33 auf, die mit einer Distanz ”D” von der Ebene beabstandet ist, die durch die äußere Kante 17 des ersten Substrats 12 definiert ist. ”D” beträgt normalerweise von etwa 0,05 mm bis etwa 10 mm, vorzugsweise von etwa 0,5 mm bis etwa 5 mm, und noch bevorzugter von etwa 1 mm bis etwa 2,5 mm. Der Kontakt mit dem Kantenentfernungslösungsmittel kann für eine ausreichende Zeit beibehalten werden, um die gewünschte Menge an Füllschicht 32 aufzulösen, um die gewünschte Distanz ”D” zu erzielen, übliche Kontaktzeiten betragen jedoch etwa 5 Sekunden bis etwa 60 Sekunden.
  • Der äußerste Bereich der Füllschicht 32 kann entfernt werden entweder bevor oder nachdem die Substrate 12, 22 in gegenüberliegender Beziehung zueinander gebondet sind. Wenn er vorher entfernt wird, wird der Stapel 10 gebildet, indem das zweite Substrat 22 mit der Füllschicht 32 in Kontakt gebracht wird, wodurch ein Hohlraum zwischen der peripheren Region 18 des ersten Substrats 12 und der peripheren Region 28 des zweiten Substrats 22 verbleibt. Dieser Kontakt wird vorzugsweise unter Hitze und Druck durchgeführt, um so zu bewirken, dass sich das Material, aus dem die Füllschicht 32 gebildet ist, im Wesentlichen gleichmäßig entlang der Vorderseitenoberfläche 14 des ersten Substrats 12 sowie entlang der Trägeroberfläche 24 des zweiten Substrats 22 verteilt. Der Druck und die Hitze werden basierend auf dem chemischen Aufbau der Füllschicht 32 angepasst und sind so ausgewählt, dass die Distanz ”D” nach dem Pressen des zweiten Substrats 22 auf das erste Substrat 12 im Wesentlichen die gleiche bleibt wie vor einem solchen Zusammenpressen. Das heißt, die Füllschicht 32 erfährt wenig oder keinen Fluss in den Hohlraum, wo die Schicht entfernt wurde, und die Distanz ”D” nach dem Zusammenpressen liegt innerhalb etwa 10 der Distanz ”D” vor dem Zusammenpressen. Typische Temperaturen während dieser Stufe reichen von etwa 150°C bis etwa 375°C, vorzugsweise von etwa 160°C bis etwa 350°C, wobei die Drücke typischerweise von etwa 1000 N bis etwa 5000 N reichen, vorzugsweise von etwa 2000 N bis etwa 4000 N. Wenn der äußerste Bereich der Füllschicht 32 entfernt wird, nachdem die Substrate 12, 22 in gegenüberliegender Beziehung gebondet sind, wird der Stapel 10 gebildet, indem das zweite Substrat 22 unter Hitze und Druck mit der Füllschicht 32 in Kontakt gebracht wird, wie vorstehend beschrieben. Der äußerste Bereich der Füllschicht 32 wird dann entfernt, wodurch zwischen der peripheren Region 18 des ersten Substrats 12 und der peripheren Region 28 des zweiten Substrats 12 ein Hohlraum verbleibt.
  • Alternativ ist die Füllschicht 32 als ein Laminat vorgesehen, das unter Hitze, Druck und/oder Vakuum an das erste Substrat 12 angehaftet wird, wie für das bestimmte Material erforderlich, um zu gewährleisten, dass sich zwischen der Füllschicht 32 und der Vorderseitenoberfläche 14 keine Hohlräume befinden. Das Laminat wird auf die geeignete Form (z. B. rund) vorgeschnitten oder nach dem Aufbringen mechanisch bearbeitet, so dass die geeignet bemessene Distanz ”D” erreicht wird, wie vorstehend erläutert.
  • Um die Peripherie der äußersten Kante 33 der Füllschicht 32 herum, nachdem der äußerste Bereich der Füllschicht 32 entfernt ist, bildet ein Bondingmaterial zwischen dem ersten Substrat 12 und dem zweiten Substrat 22 einen Randbond 34, der eine Dicke hat, die derjenigen entspricht, die vorstehend unter Bezugnahme auf die Füllschicht 32 beschrieben wurde. Der Randbond 34 ist auf den äußeren Umfang des ersten Substrats 12 und des zweiten Substrats 22 beschränkt (d. h. benachbart zu den peripheren Regionen 18 und 28 der Vorrichtungsoberfläche 14 bzw. der Trägeroberfläche 24). In Fällen, in denen das Substrat 12 eine runde Form hat, ist der Randbond 34 ringförmig. Daher gibt es in dieser Ausführungsform eine ungleichmäßige Materialverteilung über die Substrate 12, 22.
  • Auch hier, wie beim Entfernen des äußersten Bereichs der Füllschicht 32, kann der Randbond 34 aufgebracht werden entweder bevor oder nachdem die Substrate 12, 22 in gegenüberliegender Beziehung zueinander gebondet sind. Wenn beispielsweise die Füllschicht 32 ein Material mit geringer Bondingfestigkeit ist, wie zum Beispiel TEFLON® AF, dann ist es vorteilhaft, den Randbond nach Aufbringung und teilweiser Entfernung der Füllschicht 32 aufzubringen, aber bevor das zweite Substrat 22 mit der Füllschicht 32 in Kontakt gebracht wird, um die Substrate zu bonden. Diese alternative Ausgestaltung ist besonders vorteilhaft, da das beschichtete Substrat 12 hergestellt werden kann, wobei das erste Substrat 12 als ein Trägerwafer dient. Dieses Substrat 12 kann dann an einen Endbenutzer geliefert werden, der einen Vorrichtungswafer auf das beschichtete Substrat 12 bonden wird und den resultierenden Stapel 10 einer weiteren Bearbeitung zuführt. Somit stünde dem Endbenutzer ein für Haftmittel bereiter Träger zur Verfügung, wodurch für den Endbenutzer einige Verarbeitungsschritte entfallen. Wenn die Füllschicht 32 und der Randbond 34 beide aufgebracht werden, bevor die Substrate 12, 22 gebondet werden, können die Füllschicht 32 und der Randbond 34 auf das gleiche Substrat aufgebracht werden, wie vorstehend beschrieben. Alternativ kann die Füllschicht 32 aufgebracht werden, und dann wird der äußerste Bereich von einem Substrat (z. B. das erste Substrat 12) entfernt, wobei der Randbond 34 auf die periphere Region 28 des anderen Substrats (z. B. das zweite Substrat 22) aufgebracht werden kann, wie zum Beispiel durch Rotationsbeschichtung. Die Substrate 12, 22 können dann in gegenüberliegender Beziehung gebondet werden. Das Randbondingmaterial kann durch irgendwelche Mittel zugeführt werden. Wenn es zum Beispiel aufgebracht wird, nachdem die Substrate in gegenüberliegender Beziehung gebondet sind, besteht ein geeigneter Mechanismus in der Verwendung einer Nadel, einer Spritze oder eines spitzen Einspritzinstruments (engl.: ”tip dispense instrument”), um das Material in den Hohlraum zwischen der peripheren Region 18 des ersten Substrats 12 und der peripheren Region 28 des zweiten Substrats 22 abzugeben, während die Struktur 10 langsam gedreht wird, bis die peripheren Regionen mit dem Bondingmaterial gefüllt sind, um dadurch den Randbond 34 zu bilden. Der Randbond 34 kann auch durch kapillares Füllen des Hohlraums 44 oder durch chemische Gasphasenabscheidung aufgebracht werden. Bei einem weiteren Aufbringungsprozess kann ein flüssiges (100% Feststoffe oder Lösung) Randbondingmaterial unter Verwendung eines Randwickel-Ablenksystems (engl.: ”edge-wrapping baffle system”) auf die Kante des Trägers oder des Vorrichtungswafers aufgetragen werden, bevor die Substrate 12 und 22 in Kontakt gebracht werden. Ein solches System ist in Dalvi-Malhotra et al., ”Use of silane-based primer an silicon wafers to enhance adhesion of edge-protective coatings during wet etching: Application of the TALON WrapTM process”, Proceedings of SPIE, vol. 6462, 2007, Seiten 64620B-1 bis 64620B-7 offenbart, die hiermit durch Bezugnahme eingeführt wird. Der Randbond 34 wird anschließend dem geeigneten Aushärtungs- oder Verfestigungsprozess unterzogen (z. B. UV-Aushärtung).
  • Die Materialien, aus denen der Randbond 34 gebildet wird, sollten dazu geeignet sein, einen starken Haftbond mit den Substraten 12 und 22 zu bilden. Zur Verwendung als Randbond 34 wäre irgendetwas mit einer Haftstärke von mehr als etwa 50 psig wünschenswert, vorzugsweise von etwa 80 psig bis etwa 250 psig, und noch bevorzugter von etwa 100 psig bis etwa 150 psig. Darüber hinaus ist die Haftstärke des Randbonds 34 mindestens etwa 0,5 psig größer als die Haftstärke der Füllschicht 32, bevorzugt mindestens etwa 20 psig, und noch bevorzugter etwa 50 psig bis etwa 250 psig. Darüber hinaus muss das Material, aus dem der Randbond 34 gebildet wird, die thermischen und chemischen Stabilitätserfordernisse der Rückseitenbearbeitung erfüllen. Der Randbond 34 sollte bei Temperaturen von etwa 150°C bis etwa 350°C, und bevorzugt von etwa 200°C bis etwa 300°C, stabil bleiben. Darüber hinaus sollte dieses Material unter den chemischen Bedingungen, denen es in den Rückseitenprozessen begegnet, denen der gebondete Stapel unterzogen wird, stabil sein. Der Randbond 34 sollte sich bei den oben beschriebenen Rückseitenbearbeitungstemperaturen nicht zersetzen (d. h. weniger als etwa 1% Gewichtsverlust) oder anderweitig seine mechanische Integrität verlieren. Diese Materialien sollten ferner keine flüchtigen Verbindungen freisetzen, die eine Blasenbildung von dünnen Vorrichtungswafern verursachen könnten, insbesondere wenn sie Hochvakuumprozessen unterzogen werden, wie zum Beispiel während der Abscheidung von dielektrischen CVD-Schichten.
  • Bevorzugte Randabdichtungs- oder Randbondingmaterialien beinhalten handelsübliche temporäre Waferbonding-Zusammensetzungen, wie zum Beispiel die WaferBOND®-Materialien (die von Brewer Science Inc., Rolla, MO verkauft werden), einige handelsübliche Photoresist-Zusammensetzungen, zusammen mit anderen Harzen und Polymeren, die hohe Haftstärken gegenüber Halbleitermaterialien, Glas und Metallen aufweisen. Besonders bevorzugt sind: (1) UV-härtbare Harzsysteme mit hohem Feststoffgehalt, wie zum Beispiel reaktive Epoxidharze und Acryle; (2) verwandte thermisch aushärtende Harzsysteme, wie zum Beispiel zweiteilige Epoxid- und Silikonhaftmittel; (3) thermoplastische Acryl-, Styrol-, Vinylhalogenid-(nicht fluorhaltig) und Vinylesterpolymere und -copolymere, zusammen mit Polyamiden, Polyimiden, Polysulfonen, Polyethersulfonen und Polyurethanen, die aus der Schmelze oder als Lösungsbeschichtungen aufgetragen und nach dem Auftragen gebacken werden, um die peripheren Regionen 18 und 28 zu trocknen und dichter zu machen; und (4) Cycloolefine, Polyolefinkautschuke (z. B. Polyisobutylen) und kohlenwasserstoffbasierte Klebrigmacherharze. Wie im Fall der Materialien, die verwendet werden, um die Füllschicht 32 zu bilden, ist es offensictlich, dass die Bondingfestigkeit der Randbondmaterialien ferner von deren speziellen chemischen Strukturen und den Beschichtungs- sowie Backbedingungen abhängen, die verwendet werden, um sie aufzutragen.
  • Bei einer alternativen Ausführungsform kann lediglich der Randbond 34 zwischen dem ersten Substrat 12 und dem zweiten Substrat 22 verwendet werden. Das heißt, anstelle der vorstehend beschriebenen Füllmaterialien kann die durch die Füllschicht 32 in 1 dargestellte Schicht leer sein (d. h. Luft). Daher gäbe es nichts als Luft benachbart der zentralen Region 20 des ersten Substrats 12 und der zentralen Region 30 des zweiten Substrats 22.
  • Unter Bezugnahme auf 2 kann bei einem anderen Verfahren zum Bilden des Stapels 10 eine Oberflächenmodifikation verwendet werden, um die Stärke der Bondingkopplung zwischen dem (den) Bondingmaterial(ien) sowie dem ersten Substrat 12 oder dem zweiten Substrat 22 zu verändern, und zwar anstelle eines Füllmaterials mit geringer Bondingfestigkeit in der Zwischenschicht. Unter Bezugnahme auf 2(a)–(d), in denen gleiche Teile so nummeriert sind wie in 1, wird eine schützende Zusammensetzung auf die periphere Region 28 der Trägeroberfläche 24 des zweiten Substrats 22 aufgebracht, um eine Schicht von einer Maske 36 benachbart zur peripheren Region 28 zu bilden. Wenn folglich das zweite Substrat 22 eine runde Form hat, dann hat die Maske 36 die Form eines Rings. Eine Vielfalt von geeigneten Zusammensetzungen kann verwendet werden, um die Maske 36 zu bilden. Die Maske 36 sollte gegenüber dem Lösungsmittel resistent sein, das während der Oberflächenmodifikation und einer weiteren nachfolgenden Verarbeitung verwendet wird, ist aber ebenfalls bevorzugt aus einer Zusammensetzung gebildet, die auf einfache Weise von der Trägeroberfläche 24 entfernt oder zersetzt werden kann, ohne die Oberflächenbehandlung zu verschlechtern oder sich auf andere Weise negativ auf das zweite Substrat 22 auszuwirken. Die Maske 36 ist typischerweise aus einem Material gebildet, das Monomere, Oligomere und/oder Polymere enthält, die in einem Lösungsmittelsystem dispergiert oder gelöst sind. Beispiele von geeigneten Monomeren, Oligomeren und/oder Polymeren umfassen jene, die aus der Gruppe ausgewählt sind, welche Epoxide, Polyamide, Ether, Ester, Cycoolefinpolymere und -copolymere, amorphe Fluorpolymere und Kombinationen daraus enthält. Bevorzugte Zusammensetzungen sind aus der Gruppe ausgewählt, die Randbondingmaterialien, wie zuvor beschrieben (z. B. handelsübliche temporäre Waferbonding-Zusammensetzungen, wie zum Beispiel WaferBOND®), Füllmaterialien, wie vorstehend beschrieben, und Photoresist-Zusammensetzungen enthält (z. B. SU-8 2002, Microchem, Newton, MA). Die Maske 36 hat vorzugsweise eine Breite von etwa 0,05 mm bis etwa 10 mm, bevorzugter von etwa 0,5 mm bis etwa 5 mm, und noch bevorzugter von etwa 1 mm bis etwa 2,5 mm. Die Maske hat vorzugsweise eine Dicke von etwa 0,05 µm bis etwa 5 µm, bevorzugter von etwa 0,5 µm bis etwa 2,5 µm, und noch bevorzugter von etwa 0,5 µm bis etwa 1 µm.
  • Wie in 2(b) gezeigt, wird das Gebiet auf der Trägeroberfläche 24 des zweiten Substrats 22, das nicht mit der Maske 36 beschichtet ist, anschließend chemisch modifiziert, um eine Bondingoberfläche mit geringer Haftung zu erhalten (d. h. eine nichtklebrige Oberfläche oder eine Oberfläche, an der ein Füll- oder Bondingmaterial nicht stark haften kann). Vorzugsweise ist die zentrale Region 30 der Trägeroberfläche 24 das Gebiet, das einer Oberflächenmodifikation ausgesetzt wird, um eine Kopplung mit geringer Haftstärke zur Verfügung zu stellen, wenn es mit dem Bondingmaterial in Kontakt gebracht wird. Eine geeignete Oberflächenmodifikation kann zum Beispiel eine chemische Behandlung der Substratoberfläche 24 mit einer hydrophoben Lösung umfassen, die geeignet ist, um mit der Substratoberfläche 24 zu reagieren, um deren freie Oberflächenenergie zu reduzieren, wie vorstehend erläutert. Bevorzugter werden hydrophobe Organosilanlösungen verwendet. Besonders bevorzugte oberflächenmodifizierende Zusammensetzungen 38 sind aus der Gruppe ausgewählt, die (Fluor)alkylsilan (z. B. Perfluoralkyltrichlorsilan), (Fluor)alkylphosphonat, Isocyanatsilan, Acrylatsilan und Kombinationen daraus enthält. Die oberlächenmodifizierende Zusammensetzung 38 kann durch irgendein geeignetes Verfahren aufgebracht werden, wie zum Beispiel Rotationsbeschichtung mit einer Geschwindigkeit von mindestens etwa 1000 U/min für etwa 100 Sekunden (und vorzugsweise etwa 2000 U/min für etwa 60 Sekunden). Daher kann die oberflächenmodifizierende Zusammensetzung 38 mit einem Lösungsmittel verdünnt werden, wie zum Beispiel FLUORINERT® (3M Corp.), und zwar vor dem Aufbringen auf die Substratoberfläche 24. Das zweite Substrat 22 kann dann gebacken werden, um das Lösungsmittel zu verdampfen, und zwar bei etwa 50°C bis etwa 150°C für etwa 30 Sekunden bis etwa 5 Minuten (und vorzugsweise etwa 100°C für etwa 1 Minute). Das Substrat 22 kann dann mit einem weiteren Lösungsmittel gewaschen und erneut gebacken werden, um das Lösungsmittel zu verdampfen, wie zuvor beschrieben, um Oberflächenmodifikationslösung 38, die nicht reagiert ist, zu entfernen und um die Oberflächenmodifikationslösung 38 von der Maske 36 abzuwaschen, wie in 2(c) gezeigt. Es ist bevorzugt, dass die Maske 36 bei dieser Ausführungsform nicht mit der Oberflächenmodifikationszusammensetzung reagiert, so dass die Maske 36 durch die Oberflächenmodifikation ebenfalls nicht ”nichtklebrig” gemacht wird. Der Vorteil dieses Lösungsansatzes der Oberflächenmodifikation besteht darin, dass die Zwischenschicht aus irgendeiner Kombination von Eigenschaften (z. B. Dicke, Lösbarkeit, thermische Stabilität) ausgewählt werden kann, die andere sind als das Vorsehen einer nichtklebrigen Kopplung oder einer Kopplung geringer Haftstärke mit dem Substrat, wie vorstehend unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass für die gesamte Zwischenschicht anstelle eines separaten Füllmaterials 32 und des Randbonds 34 eine gleichförmige Bondingzusammensetzung verwendet werden kann.
  • Die Oberfläche 14 des ersten Substrats 12 (der Vorrichtungswafer) wird anschließend mit einer Bondingzusammensetzung beschichtet, um eine Bondingschicht 40 auf und über der Oberfläche 14 zu erzeugen, und das erste Substrat 12 und das behandelte zweite Substrat 22 werden dann in einer gegenüberliegenden Beziehung gebondet, wie in 2(b) gezeigt, wobei das zweite Substrat 22 nun auf der Oberseite des Stapels 10 angeordnet ist. Dieser Kontakt wird vorzugsweise unter Hitze und Druck durchgeführt, um so zu bewirken, dass sich das Material, aus dem die Bondingschicht 40 gebildet ist, im Wesentlichen gleichmäßig entlang der Vorderseitenoberfläche 14 des ersten Substrats 12 sowie entlang der Trägeroberfläche 24 des zweiten Substrats 22 verteilt. Noch bevorzugter werden die Substrate 12, 22 unter Vakuum und in einer erhitzten Druckkammer (vorzugsweise von etwa 100°C bis etwa 300°C für etwa 1 bis etwa 10 Minuten, und bevorzugter von etwa 100°C bis etwa 200°C für etwa 2 bis etwa 5 Minuten) gebondet. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Maske 36 vor dem Bonden der beiden Substrate 12, 22 in der gegenüberliegenden Beziehung nicht entfernt. Es ist daher bevorzugt, dass das schützende Material, das verwendet wird, um die Maske 36 zu bilden, aus dem gleichen Material oder aus einem ähnlichen oder kompatiblen Material besteht wie die Materialien, aus denen die Bondingschicht 40 gebildet ist, so dass beim Bonden der Substrate 12, 22, wie vorstehend beschrieben, die Maske 36 und die Bondingmaterialien zusammenfließen, um eine gleichmäßige Bondingschicht 40 zu bilden, wie in 2(d) gezeigt ist. Die Dicke der Bondingschicht 40 hängt von der Höhe der Topographie auf dem Vorrichtungswafer 12 ab und kann von etwa 5 µm bis etwa 150 µm reichen. In einigen Ausführungsformen reicht die bevorzugte Dicke von etwa 5 µm bis etwa 100 µm, bevorzugter von etwa 5 µm bis etwa 50 µm, und noch bevorzugter von etwa 10 µm bis etwa 30 µm.
  • Die Materialien, aus denen die Bondingschicht 40 gebildet ist, sollten geeignet sein, einen starken Haftbond mit den Substraten 12 und 22 zu bilden, außer dort, wo sie mit der oberflächenmodifizierenden Zusammensetzung 38 behandelt sind. Geeignete Bondingmaterialien umfassen irgendwelche Materialien mit einer Haftstärke von mehr als etwa 50 psig, vorzugsweise etwa 80 psig bis etwa 250 psig, und noch bevorzugter von etwa 100 psig bis etwa 150 psig. Außerdem muss das Material, aus dem die Bondingschicht 40 gebildet ist, die thermischen und chemischen Stabilitätsanforderungen der Rückseitenverarbeitung erfüllen. Die Bondingschicht 40 sollte bei Temperaturen von etwa 150°C bis etwa 350°C stabil bleiben, vorzugsweise von etwa 200°C bis etwa 300°C. Darüber hinaus sollte dieses Material unter den chemischen Bedingungen, denen es bei den Rückseitenprozessen begegnet, dem der gebondete Stapel unterzogen wird, stabil sein. Die Bondingschicht 40 sollte sich bei den oben beschriebenen Rückseitenbearbeitungstemperaturen nicht zersetzen (d. h. weniger als etwa 1 Gewichtsverlust) oder anderweitig sein mechanische Integrität verlieren. Diese Materialien sollten ferner keine flüchtigen Verbindungen freisetzen, die eine Blasenbildung von dünnen Vorrichtungswafern verursachen könnten, insbesondere wenn sie Hochvakuumprozessen unterzogen werden, wie zum Beispiel während der Abscheidung von dielektrischen CVD-Schichten.
  • Bevorzugte Bondingmaterialien umfassen handelsübliche temporäre Waferbondingzusammensetzungen, wie zum Beispiel die WaferBOND®-Materialien (die von Brewer Science Inc., Rolla, MO verkauft werden), einige handelsübliche Photoresistzusammensetzungen, zusammen mit anderen Harzen und Polymeren, die eine hohe Haftstärke gegenüber Halbleitermaterialien, Glas und Metallen aufweisen. Besonders bevorzugt sind: (1) UV-härtbare Harzsysteme mit hohem Feststoffgehalt, wie zum Beispiel reaktive Epoxidharze und Acryle; (2) verwandte thermisch aushärtende Harzsysteme, die bei Erhitzung aushärten oder sich vernetzen, wie beispielsweise zweiteilige Epoxid- und Silikonhaftmittel, Cycloolefinpolymere und -copolymere mit thermischen Katalysator-Initiatoren sowie CYCLOTENE® (Dow Chemical); (3) thermoplastische Acryl-, Styrol-, Vinylhalogenid-(nicht fluorhaltig) und Vinylesterpolymere und -copolymere zusammen mit Polyamiden, Polyimiden, Polysulfonen, Polyethersulfonen und Polyurethanen, die aus der Schmelze oder als Lösungsmittelbeschichtungen aufgetragen werden, die nach dem Auftragen gebacken werden, um zu trocknen; und (4) Cycloolefine, Polyolefinkautschuke (z. B. Polyisobutylen) und kohlenwasserstoff-basierte Klebrigmacherharze. Thermisch aushärtende Materialien erfordern ferner die Verwendung eines vernetzenden Mittels und möglicherweise eines Katalysators in dem System sowie einen Schritt zum Einleiten der Vernetzung, wie hier in größerem Detail beschrieben wird. Die vorstehenden Materialien sind ebenfalls praktisch, um in diesem Ausführungsbeispiel die Maske 36 zu bilden.
  • In dem resultierenden Stapel 10 hat die Bondingschicht 40 Kontakt mit der modifizierten zentralen Region 30 und der nichtmodifizierten peripheren Region 28 auf der Trägeroberfläche 24. Vorteilhafterweise ist die Bondingkopplung zwischen der Bondingschicht 40 und der zentralen Region 30 der Trägeroberfläche 24 schwächer als die Bondingkopplung zwischen der Bondingschicht 40 und der peripheren Region 28 der Trägeroberfläche 24. Daher sind in der Bondingschicht 40 Regionen ”B” mit großer Haftstärke und Regionen ”b” mit geringer Haftstärke gebildet. Der Übergang zwischen den Regionen ”B” mit großer Haftstärke und den Regionen ”b” mit geringer Haftstärke entlang der Kopplung zwischen der Bondingschicht 40 und der Trägeroberfläche 24 gibt die Anfangsposition an, wo die beiden Substrate 12, 22 anfangen, sich während der Trennens abzulösen. Es ist offensichtlich, dass während der Verarbeitung die Breite der Maske 36 abhängig von der gewünschten Größe und Position der Regionen ”B” mit großer Haftstärke variiert werden kann. Auf ähnliche Weise kann die Maske 36, insbesondere dann, wenn die Maske 36 aus Photoresistzusammensetzungen oder aus anderen strukturierbaren Schichten gebildet ist, auch als eine gleichmäßige Schicht auf die Trägeroberfläche 24 aufgebracht und dann strukturiert sowie in irgendeiner Anzahl von Arten entwickelt werden (um beispielsweise ein Gitter, Linien, Formen, etc. zu bilden). Eine anschließende Oberflächenmodifikation würde zu einer strukturierten, nichtklebrigen Oberflächenbehandlung führen. Folglich kann die Position sowie die Art und Weise der Trennung der Substrate 12 und 22 an die gewünschten Spezifikationen des Benutzers angepasst werden.
  • Unter Bezugnahme auf 3 ist noch eine weitere alternative Ausführungsform dargestellt, in der gleiche Teile wie in 2 nummeriert sind. Wie in dieser Figur gezeigt, sind die Substrate 12, 22, die Maske 36 und die Bondingschicht 40 aus den gleichen Materialien hergestellt, wie vorstehend unter Bezugnahme auf 2 erläutert, mit der Ausnahme, dass in Schritt (c) von 3 die Maske 36 von der Trägeroberfläche 24 entfernt wird, wodurch die periphere Region 28 der Trägeroberfläche 24 freigelegt wird und von der oberflächenmodifizierenden Zusammensetzung 38 unbehandelt bleibt. Die Maske 36 kann durch Lösungsmittelzersetzung, Säure- oder Basen-Nassentwicklungsprozesse oder durch Plasmaätzen entfernt werden. Das erste Substrat 12 und das behandelte zweite Substrat 22 werden dann in einer gegenüberliegenden Beziehung mit dem zweiten Substrat gebondet, das nun in 3(d) oben liegt. Dieser Kontakt wird vorzugsweise unter Hitze und Druck ausgeführt, um so zu bewirkten, dass sich das Material, aus dem die Bondingschicht 40 gebildet ist, gleichmäßig entlang der Vorderseitenoberfläche 14 des ersten Substrats 12 sowie entlang der Trägeroberfläche 24 des zweiten Substrats 22 verteilt, so dass die Bondingschicht 40 mit der modifizierten zentralen Region 30 und der nichtmodifizierten peripheren Region 28 auf der Trägeroberfläche 24 Kontakt hat, wie vorstehend beschrieben. Die Maske 36 kann in diesem Ausführungsbeispiel ebenfalls strukturiert werden, wie vorstehend beschrieben, gefolgt von einer Oberflächenmodifikation und dem Entfernen der Maske 36, was zu einer strukturierten, nichtklebrigen Oberflächenbehandlung führt, wenn die Maske 36 entfernt ist. Da diese Maske 36 entfernt wird, kann die Maske 36 aus irgendeinem Material hergestellt sein, das für die Maskierung geeignet ist, und muss nicht mit den Materialien kompatibel sein, die verwendet werden, um die Bondingschicht 40 zu bilden. Auf ähnliche Weise kann die Maske 36 mit der Oberflächenmodifikationszusammensetzung 38 reagieren, solange sie noch von der Trägeroberfläche 24 entfernt werden kann, um die unbehandelte periphere Region 28 des zweiten Substrats 22 freizulegen.
  • 4 zeigt eine weitere Ausführungsform zum Bilden eines Stapels 10. Eine Bondingzusammensetzung wird auf die Oberfläche 24 des zweiten Substrats 22 aufgebracht, um eine Bondingschicht 40 zu bilden. Die Bondingschicht 40 kann aus irgendwelchen geeigneten Materialien gebildet sein, wie vorstehend unter Bezugnahme auf 2 erläutert, obwohl thermisch aushärtende Materialien besonders bevorzugt sind. Die Dicke der Bondingschicht 40 hängt von der Höhe der Topographie auf dem ersten Substrat 12 ab und kann von etwa 5 µm bis etwa 150 µm reichen. In einigen Ausführungsformen reicht die bevorzugte Dicke von etwa 5 µm bis etwa 100 µm, bevorzugter von etwa 5 µm bis etwa 50 µm, und noch bevorzugter von etwa 10 µm bis etwa 30 µm. Eine Schicht aus Füllmaterial wird auf die Bondingschicht 40 aufgebracht, um eine Füllschicht 32 zu bilden, wie in 2(b) gezeigt. Die Füllschicht 32 hat eine Dicke von etwa 0,05 µm bis etwa 5 µm, vorzugsweise von etwa 0,5 µm bis etwa 2,5 µm, und noch bevorzugter von etwa 0,5 µm bis etwa 1 µm. In diesem Ausführungsbeispiel bildet die Füllschicht 32 keine Verbindungen mit großer Haftstärke, und sie ist vorzugsweise aus einem Material mit geringer Bondingfestigkeit gebildet, wie vorstehend unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Daher umfassen in diesem Ausführungsbeispiel geeignete Materialien zum Bilden der Füllschicht 32 Zusammensetzungen mit den zuvor erläuterten Eigenschaften, einschließlich Cycloolefinpolymere und -copolymere, die unter der Bezeichnung APEL® von Mitsui, TOPAS® von Ticona und ZEONOR® von Zeon brands verkauft werden, und lösungsmittellösliche Fluorpolymere, wie zum Beispiel CYTOP®-Polymere, die von Asahi Glass verkauft werden, und TEFLON® AF Polymere, die von DuPont verkauft werden. Es ist offensichtlich, dass die Bondingfestigkeit dieser Materialien von den Beschichtungs- und Backbedingungen abhängen, die verwendet werden, um sie aufzubringen.
  • Als nächstes, wie in 4(c) gezeigt, wird der äußerste Bereich der Füllschicht 32 entfernt. Dies kann durch irgendwelche Mittel erreicht werden, die das Entfernen der gewünschten Menge ermöglichen, ohne dass dabei die Integrität der Bondingschicht 40 beschädigt wird, einschließlich Auflösen des äußersten Bereichs mit einem Lösungsmittel, von dem bekannt ist, dass es ein gutes Lösungsmittel für das Material ist, aus dem die Füllschicht 32 gebildet ist. Beispiele dieser Lösungsmittel umfassen jene, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aliphatische Lösungsmittel (z. B. Hexan, Decan, Dodecan und Dodecen), Fluorkohlenstofflösungsmittel und Mischungen daraus enthält. Nach der Randentfernung weist die Füllschicht 32 eine äußerste Kante 33 auf, die mit einer Distanz ”D” von der Ebene beabstandet ist, die durch die äußerste Kante 27 des zweiten Substrats 22 definiert ist. ”D” liegt typischerweise zwischen etwa 0,05 mm und etwa 10 mm, vorzugsweise etwa 0,5 mm bis etwa 5 mm, und noch bevorzugter etwa 1 mm bis etwa 2,5 mm. Der Kontakt mit dem Randentfernungslösungsmittel kann für eine ausreichende Zeitdauer beibehalten werden, um die gewünschte Menge an Füllschicht 32 aufzulösen, um die gewünschte Distanz ”D” zu erzielen, jedoch reichen typische Kontaktzeiten etwa 5 Sekunden bis etwa 120 Sekunden.
  • Unter Bezugnahme auf 4(d) ist das zweite Substrat 22 in gegenüberliegender Beziehung mit dem ersten Substrat 12 gebondet. Dieser Kontakt wird vorzugsweise unter Hitze und Druck durchgeführt, um so zu bewirken, dass das Material, aus dem die Bondingschicht 40 gebildet ist, um die Füllschicht 32 zurück und in den Raum fließt, der nach dem Randentfernungsprozess verblieben ist, um so die periphere Region 18 der Vorderseitenoberfläche 14 des ersten Substrats gleichmäßig in Kontakt zu bringen. Insbesondere werden die Substrate 12, 22 unter Vakuum und in einer erhitzten Druckkammer gebondet (vorzugsweise von etwa 100°C bis etwa 300°C für etwa 1 bis etwa 10 Minuten, und noch bevorzugter von etwa 100°C bis etwa 200°C für etwa 2 bis etwa 5 Minuten). In diesem Ausführungsbeispiel kann die Bondingschicht 40 aus einer Zusammensetzung gebildet sein, die bei Erhitzung aushärtet oder vernetzt wird, wie zum Beispiel eine epoxidbasierte Photoresistzusammensetzung. Bei einem Aspekt wird der Stapel 10, nach dem Kontaktieren des ersten Substrats 12 und des zweiten Substrats 22 unter Hitze und Druck, somit einer Strahlung (d. h. Licht) ausgesetzt, um die Vernetzung (Aushärtung) der Schicht 40 einzuleiten, gefolgt von einem nachträglichen Backen (post-exposure bake = PEB) bei einer Temperatur von etwa 75°C bis etwa 300°C, bevorzugter von etwa 100°C bis etwa 250°C, und noch bevorzugter von etwa 100°C bis etwa 175°C, für eine Zeitdauer von etwa 15 Sekunden bis etwa 120 Sekunden. Das Material, das verwendet wird, um in diesem Ausführungsbeispiel die Bondingschicht 40 zu bilden, enthält ein Vernetzungsmittel und optional einen Katalysator in dem System.
  • Vorteilhafterweise ist die Bondingkopplung zwischen der zentralen Region 20 der Vorrichtungsoberfläche 14 und der Füllschicht 32 schwächer als die Bondingkopplung zwischen der Bondingschicht 40 und der peripheren Region 18 der Vorrichtungsoberfläche 14. Daher werden Regionen ”B” mit hoher Haftstärke und Regionen ”b” mit geringer Haftstärke gebildet. Der Übergang zwischen den Regionen ”B” mit hoher Haftstärke und den Regionen ”b” mit geringer Haftstärke entlang der Kopplung zwischen der Vorderseitenoberfläche 14 des ersten Substrats 12 sowie der Bondingschicht 40 und der Füllschicht 32 gibt die Anfangsposition vor, wo die beiden Substrate 12, 22 beginnen, sich während der Trennung abzulösen.
  • Unter Bezugnahme auf die Stapel, die in 1, 2(d), 3(d) und 4(d) gebildet sind, kann in dieser Stufe das erste Substrat 12 in dem Stapel 10 auf sichere Weise gehandhabt und weiteren Prozessen unterzogen werden, die anderenfalls das erste Substrat 12 beschädigt hätten, wenn es nicht mit dem zweiten Substrat 22 gebondet wäre. Somit kann das erste Substrat 12 der Struktur 10 auf sichere Weise einer Rückseitenbearbeitung unterzogen werden, wie zum Beispiel Rückseitenschleifen, CMP, Ätzen, Deposition von Metal und Dielektrikum, Strukturieren (z. B. Photolithographie, durch Ätzen), Passivierung, Glühen und Kombinationen davon, ohne dass eine Trennung der Substrate 12 und 22 auftritt und ohne dass irgendwelche Chemikalien, denen es während dieser nachfolgenden Bearbeitungsstufen begegnet, in die zentralen Regionen 20 und 30 zwischen den Substraten 12 und 22 eindringen.
  • Vorteilhafterweise haben die getrockneten oder gehärteten Schichten der gestapelten Struktur 10 in diesem und in allen Ausführungsbeispielen eine Anzahl sehr wünschenswerter Eigenschaften. Beispielsweise zeigen die Schichten während der Erhitzungs- und/oder Vakuumdepositionsprozesse eine geringe Entgasung. Das heißt, das Backen bei etwa 150–300°C für bis zu etwa 60 Minuten führt zu einer Änderung der Filmdicke der Füllschicht 32 und des Randbonds 34 von weniger als etwa 5 vorzugsweise weniger als etwa 2 und noch bevorzugter weniger als etwa 1 Die getrockneten Schichten können auch auf Temperaturen von bis zu etwa 350°C erhitzt werden, vorzugsweise bis zu etwa 320°C, und noch bevorzugter bis zu etwa 300°C, ohne dass in der Schicht chemische Reaktionen auftreten. In einigen Ausführungsbeispielen können die Schichten in dem gebondeten Stapel ferner bei einer Temperatur von etwa 80°C für etwa 15 Minuten polaren Lösungsmitteln (z. B. N-Methyl-2-pyrrolidon) ausgesetzt werden, ohne zu reagieren oder sich auflösen.
  • Die Bondintegrität des Randbonds 34 oder der Bondingschicht 40 kann sogar bei Einwirkung einer Säure oder Base beibehalten werden. Das heißt, ein getrockneter Randbond 34 mit einer Dicke von etwa 15 µm kann bei Raumtemperatur für etwa 10 Minuten in ein saures Medium (z. B. konzentrierte Schwefelsäure) oder bei etwa 85°C für etwa 45 Minuten in ein basisches Medium (z. B. 30 Gew.-% KOH) eingetaucht werden, wobei die Bondintegrität beibehalten wird. Die Bondintegrität kann bewertet werden, indem ein Glasträgersubstrat verwendet wird und der Randbond 34 durch das Glasträgersubstrat visuell beobachtet wird, um auf Blasen, Hohlräume, etc. geprüft zu werden.
  • Wenn die gewünschte Bearbeitung beendet ist, können das erste Substrat 12 und das zweite Substrat 22 leicht getrennt werden. Obwohl der Randbond 34 oder die periphere Region (entspricht ”B”) der Bondingschicht 40 vor der Trennung der Substrate 12, 22 intakt gehalten werden können, werden der Randbond 34 oder die periphere Region ”B” der Bondingschicht 40 zuerst chemisch, mechanisch, akustisch oder thermisch aufgeweicht, ausgelöst oder zerrissen, um zu ermöglichen, dass die Wafer mit sehr geringen Kräften etwa bei Raumtemperatur (~23°C) auf einfache Weise getrennt werden können. Zum Beispiel können der Randbond 34 oder die periphere Region der Bondingschicht 40 zuerst mit Hilfe eines Lösungsmittels oder eines anderen chemischen Mittels aufgelöst werden. Dies kann durch Eintauchen in das Lösungsmittel oder durch Sprühen eines Strahls des Lösungsmittels auf den Randbond 34 oder die periphere Region der Bondingschicht 40 bewerkstelligt werden, um ihn aufzulösen. Die Verwendung thermoplastischer Materialien ist besonders wünschenswert, wenn eine Lösungsmittelauflösung eingesetzt werden soll, um den Randbond 34 oder die Bondingschicht 40 zu zerstören. Lösungsmittel, die während dieses Entfernungsprozesses typischerweise verwendet werden können, beinhalten solche, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die Ethyllactat, Cyclohexanon, N-Methylpyrrolidon, aliphatische Lösungsmittel (z. B. Hexan, Decan, Dodecan und Dodecen) und Mischungen daraus enthält. Der Randbond 34 oder die periphere Region der Bondingschicht 40 wird vorzugsweise mindestens teilweise (etwa 50%) mit dem Lösungsmittel entfernt, und bevorzugter im Wesentlichen vollständig (etwa 85%).
  • Die Substrate 12 und 22 können ferner getrennt werden, indem zuerst die Kontinuität des Randbonds 34 oder der peripheren Region der Bondingschicht 40 mechanisch zerrissen oder zerstört wird, und zwar unter Verwendung von Laserablation, Plasmaätzen, Bestrahlen mit Wasser oder anderen Hochenergietechniken, wodurch der Randbond 34 oder die periphere Region der Bondingschicht 40 wirksam geätzt oder zersetzt wird. Es ist ferner möglich, zuerst den Randbond 34 oder die periphere Region der Bondingschicht 40 mit einer Fraktur oder einem Bruch zu trennen, oder den Randbond 34 oder die periphere Region der Bondingschicht 40 mit einem gleichwertigen Mittel zu sägen oder zu schneiden oder zu spalten.
  • Ungeachtet dessen, welches der obigen Mittel eingesetzt wird, kann anschließend eine geringe mechanische Kraft (z. B. Fingerdruck, leichtes Keilen) angewendet werden, um die Substrate 12 und 22 vollständig zu trennen. Vorteilhafterweise können das erste Substrat 12 und das zweite Substrat 22 unter Verwendung einer Abziehbewegung getrennt werden, so dass eines der Substrate 12 oder 22 von dem Stapel abgezogen wird. Um das Abziehen einzuleiten, wird eine Kraft auf einen Bereich (z. B. weniger als 1/2, vorzugsweise weniger als 1/3, bevorzugter weniger als 1/4, und sogar noch bevorzugter weniger als 1/10) der Peripherie des Substrats aufgebracht, um es abzutrennen. Wie vorstehend erläutert, hängt die Position der anfänglichen Trennung von der Position des Übergangs zwischen den Regionen ”B” mit hoher Haftstärke und den Regionen ”b” mit geringer Haftstärke entlang der Kopplung zwischen der Bondingschicht und/oder der Füllschicht und der Substratoberfläche ab. Wenn der anfängliche Bereich der Peripherie des Substrats angehoben und weiter nach oben gedrückt wird, dann bewegt sich die Position der Biegung des Substrats schrittweise entlang der Kopplung zwischen der Substratoberfläche und der Bondingschicht und/oder der Füllschicht von dem Anfangsbereich des Peripherie, wo die Kraft angewendet wird, bis möglicherweise die gesamte Oberfläche des Substrats von dem Stapel abgetrennt ist. Um das Abtrennen zu erleichtern, kann der Stapel gleichzeitig wegbewegt (d. h. nach unten abgesenkt) werden, während die Kraft auf das abzutrennende Substrat vorzugsweise in Richtung nach oben aufgebracht wird. Die Stärke der Kraft, die auf die Peripherie des Substrats aufgebracht wird, kann variieren, liegt aber vorzugsweise zwischen etwa 0,25 Newton bis etwa 100 Newton, bevorzugter von etwa 2 Newton bis etwa 75 Newton, und noch bevorzugter von etwa 5 Newton bis etwa 50 Newton, gemessen an dem Bereich der Peripherie des Substrats, wo die Kraft aufgebracht wird.
  • Bei einem bevorzugten Verfahren ist eine ringförmige Klemme 41 in der Form einer gespaltenen Ringklemme vorgesehen, um die Substrate 12, 22 zu trennen. Unter Bezugnahme auf 5(a) hat die Ringklemme 41 einen planaren Körper 42 mit einer im Wesentlichen runden Form, durch die die Peripherie und eine zentrale Öffnung 34 definiert ist. Vorzugsweise ist der Ringklemmenkörper 42 unitär mit einem Spalt an einer Position gebildet, um zwei freie Enden 44a, 44b zu bilden, vorzugsweise in der Form von Schultern. Der Begriff ”unitär gebildet”, wie er hier verwendet wird, ist mit dem Begriff ”integriert gebildet” austauschbar und bedeutet, dass solche unitär gebildeten Teile ”integriert” und nicht in einem separaten Schritt aneinander befestigt oder voneinander lösbar sind, sondern aus einem einzelnen Materialstück gebildet sind. Geeignete Materialien für den Ringkörper 42 sind aus der Gruppe ausgewählt, die Metalle, Keramiken, Polymere, Komposite und Kombinationen daraus enthält. Die Enden 44a, 44b sind entweder in der geöffneten Konfiguration voneinander wegbewegt (d. h. auseinander gespreizt) oder in der geschlossenen Konfiguration in Richtung aufeinander gezogen, um zusammendrückend mit dem Wafer einzugreifen, der von dem Stapel 10 abgelöst werden soll. Das heißt, die freien Enden 44a, 44b sind ausgestaltet, um in proximaler Beziehung so geklemmt zu werden, dass der Ring um den Umfang (Peripherie) des Wafers passt. In der geschlossenen Konfiguration werden die Enden 44a, 44b vorzugsweise in Richtung aufeinander gedrückt, bleiben aber nicht verbunden (d. h. es verbleibt ein Spalt zwischen den Enden, und der Ring bildet einen unterbrochenen runden Körper), obwohl die Enden 44a, 44b verbunden werden können, um eine kontinuierliche Form ohne Spalt zu bilden. Bei Verwendung wird durch das Zusammenziehen oder Auseinanderspreizen der Enden 44a, 44b bewirkt, dass die zentrale Öffnung verkleinert oder vergrößert wird, um die Klemmwirkung des Körpers 42 um den Wafer zu bewirken, um von dem Stapel 10 getrennt werden zu können, und eine Anpassung an Wafer verschiedener Größen ermöglicht, während ein gleicher Druck über den Umfang (Peripherie) des Wafers beibehalten wird, wo er mit dem Ring in Eingriff steht. Bei einer anderen Ausführungsform kann die Ringklemme 41 ein mehrteiliges System sein, wobei jedes Teil unitär gebildet ist. Die Teile werden zusammengebracht, um den Ring um den Umfang des in Eingriff stehenden Wafers zu bilden, wie vorstehend erläutert. Das mehrteilige System kann von etwa 2 bis etwa 25 Teile aufweisen, vorzugsweise von etwa 2 bis etwa 10 Teile, noch bevorzugter von etwa 2 bis etwa 4 Teile, und am meisten bevorzugt etwa 2 Teile. Unabhängig von der Ausführungsform, muss die Ringklemme 41 vorteilhafterweise nicht mit den gesamten 360° der Peripherie des Substrats eingreifen, um den Stapel effektiv abzulösen. Stattdessen ist der Ringklemmenkörper für die Verwendung mit Wafer-Flats geeignet, die eine oder mehrere flache Kanten haben, wie nachfolgend in größerem Detail beschreiben wird.
  • Unter Bezugnahme auf 6(a) hat der Ringklemmenkörper 42 eine ringförmige innere Seitenwand 45, durch die der innere Durchmessen ”d” des Ringkörpers 42 definiert ist, und eine ringförmige äußere Seitenwand 46, durch die der äußere Durchmesser ”D” des Ringkörpers 42 definiert ist. Der innere Durchmesser ”d” reicht von etwa 10 mm bis etwa 400 mm, bevorzugt von etwa 75 mm bis etwa 350 mm, und noch bevorzugter von etwa 100 mm bis etwa 274 mm. Der äußere Durchmesser ”D” reicht von etwa 25 mm bis etwa 550 mm, vorzugsweise von etwa 100 mm bis etwa 400 mm, und noch bevorzugter von etwa 250 mm bis etwa 350 mm. Es ist jedoch offensichtlich, dass der Ringkörper 42 theoretisch irgendeine Größe haben kann, und zwar abhängig von der Größe des abzulösenden Wafers. Die innere Seitenwand 45 und die äußere Seitenwand 46 verlaufen im Wesentlichen parallel zueinander. Der Ringkörper 42 hat eine Breite ”W”, gemessen von der inneren Seitenwand 45 zur äußeren Seitenwand 46, von etwa 0,1 mm bis etwa 50 mm, vorzugsweise von etwa 0,5 mm bis etwas 25 mm, und noch bevorzugter von etwa 1 mm bis etwa 12 mm. Die innere Seitenwand 45 hat außerdem eine Dicke ”t”, die von etwa 0,1 mm bis etwa 15 mm reicht, bevorzugter von etwa 0,5 mm bis etwa 10 mm, und noch bevorzugter von etwa 1 mm bis etwa 5 mm. Die äußere Seitenwand 46 hat eine Dicke ”T”, die vorzugsweise von etwa 0,15 mm bis etwa 16 mm reicht, bevorzugter von etwa 0,55 mm bis etwa 11 mm, und noch bevorzugter von etwa 1,5 mm bis etwa 6 mm. Das Verhältnis t:T reicht vorzugsweise von etwa 1:20 bis etwa 1:1, bevorzugter noch etwa 1:10 bis etwa 1:5, und noch bevorzugter etwa 2:3.
  • Der Ringkörper 42 hat außerdem eine obere Oberfläche 48, die sich zwischen der inneren Seitenwand 45 und der äußeren Seitenwand 46 erstreckt, und eine Wafereingriffsfläche 50, die sich von der inneren Seitenwand 45 nach außen gerichtet in einer im Wesentlichen parallelen Ausrichtung mit der oberen Oberfläche 48 erstreckt. Die Wafereingriffsfläche 50 erstreckt sich nicht über die ganze Strecke zur äußeren Seitenwand 46, sondern endet an einem Punkt ”p”, der von der äußeren Seitenwand 46 mit einer Breite ”w” beabstandet ist, gemessen von jenem Punkt ”p” zur äußeren Seitenwand 46. Die Breite ”w” reicht von etwa reicht von etwa 0,01 mm bis etwa 45 mm, bevorzugt von etwa 0,1 mm bis etwa 20 mm, und noch bevorzugter von etwa 0,5 mm bis etwa 10 mm. Der Ringkörper 42 hat eine sich nach innen erstreckende ringförmige Rippe 52, die von dem Punkt ”p” der Wafereingriffsfläche 50 nach innen und nach unten gerichtet sowie weg von den Ebenen abgeschrägt ist, die durch die obere Oberfläche 48 und die Wafereingriffsfläche 50 definiert sind, und in einer freien Kante 54 endet. Die Rippe 52 hat eine geneigte Schulterfläche 56, die sich zwischen der freien Kante 54 und dem Punkt ”p” erstreckt, wo die Wafereingriffsfläche 50 in dem Ringkörper 42 endet. Die sich nach außen erstreckende Wafereingriffsfläche 50 und die nach innen sowie nach unten verlaufende ringförmige Rippe 52 bilden zusammen eine ringförmige Waferaufnahmenut 58 mit einem spitzen Winkel (Θ). Vorzugsweise beträgt der Nutwinkel (Θ), gemessen von der Wafereingriffsfläche zur Schulterfläche, von etwa 10° bis etwa 90°, vorzugsweise von etwa 20° bis etwa 75°, und noch bevorzugter von etwa 30° bis etwa 60°. Die ringförmige Rippe 53 weist ferner eine Unterseitenoberfläche 60 auf, die vorzugsweise parallel zu den Ebenen verläuft, die durch die Wafereingriffsfläche 50 und die obere Oberfläche 48 gebildet sind. Der Ringkörper 42 hat außerdem eine untere Oberfläche 62, die nach unten und weg von der Ebene abgeschrägt ist, die durch die obere Oberfläche 48 definiert ist, sowie zwischen der äußeren Seitenwand 46 und der Unterseitenoberfläche 60 der ringförmigen Rippe 52 verläuft.
  • Die freie Kante 54 der ringförmigen Rippe 52 erstreckt sich vorzugsweise nicht über die Ebene ”P” nach innen, die durch die innere Seitenwand 45 definiert ist. Daher sind die ringförmige Rippe 52 und die Nut 58 nach außen gerichtet von der inneren Seitenwand 45 versetzt, so dass dann, wenn ein Wafer in der Nut 58 aufgenommen ist, die Rückseitenoberfläche 26 des Wafers mit der Wafereingriffsfläche 50 des Ringkörpers 42 in Eingriff steht und die äußere Kante 27 sowie die periphere Region 28 des Wafers mit der Schulter 56 und der freien Kante 54 der Rippe 52 in Eingriff stehen. Die ist in 6(b) beispielhaft unter Verwendung des zweiten Substrats 22 gezeigt. Die Ringklemme 42 wird dann in die geschlossene Konfiguration bewegt, wodurch der Wafer 22 in der Nut 58 gehalten wird. Insbesondere ist mindestens ein Bereich der Peripherie des Wafers 22 in der Nut 58 aufgenommen. Wo die Waferkante 27 abgerundet oder abgeschrägt ist, greifen die Schulter 56 und die freie Kante 54 mit der abgerundeten Ecke des Wafers ein, die durch die Waferkante 27 und die periphere Region 28 gebildet wird, bezeichnet mit ”x”.
  • In einer alternativen Ausführungsform, die nicht zur Erfindung gehört, wie in 5(b) gezeigt, hat der Klemmenkörper 42 keine zentrale Öffnung 43. Stattdessen ist der Hohlraum, der der in 5(a) und 6(a) gezeigten zentralen Öffnung 43 entspricht, ausgefüllt, und der Klemmenkörper 42 ist scheibenförmig. Wie in 5(b) und 6(c) gezeigt, erstreckt sich die obere Oberfläche 48 folglich über den gesamten Durchmesser ”D” zwischen der äußeren Seitenwand 46, und die Wafereingriffsfläche 50 erstreckt sich über die gesamte Distanz zwischen Punkt ”p”.
  • Unter Bezugnahme auf 7 ist der Stapel bei Verwendung auf einem Futter 64 angeordnet, das in der Lage ist, eine geeignete Niederhaltekraft zu bewirken, um das erste Substrat 12 während der nachfolgenden Schritte zu befestigen. Das Futter 64 kann eine Vakuumkraft, eine elektrostatische Kraft, eine magnetische Kraft, eine mechanische Kraft, eine körperliche Halterung oder irgendein anderes Mittel verwenden, durch das die richtige Niederhaltekraft bewirkt wird, wobei gleichzeitig eine abstützende Halterung für das erste Substrat 12 bewirkt wird, ohne dabei Beschädigungen zu verursachen. Der Ringklemmenkörper 42 wird um die Peripherie des zweiten Substrats 22 platziert, so dass das Substrat 22 in der Waferaufnahmenut 58 aufgenommen wird, wie vorstehend beschrieben. Die freien Enden 44a, 44b des Körpers 42 werden in Richtung aufeinander gezogen, damit die Peripherie des zweiten Substrats 22 (nicht gezeigt) einen zusammendrückenden Eingriff erfährt. Die Ringklemme 41 bewirkt vorzugsweise einen gleichmäßigen Druck entlang des Umfangs des zweiten Substrats 22, mit Ausnahme der Ausführungsformen, bei denen das zweite Substrat 22 ein Wafer-Flat ist. In diesem Fall steht ein Bereich der Peripherie (d. h. die flache Seite) des Wafers nicht mit der Klemme in Eingriff. Wie vorstehend erläutert, muss die Ringklemme nicht mit den gesamten 360° der Peripherie (Umfang) des Substrats eingreifen, um den Stapel 10 wirksam zu trennen. Stattdessen ist es für eine wirksame Trennung ausreichend, wenn die Ringklemme nur mit 1° der Peripherie des Substrats 22 eingreift. Insbesondere greift die Ringklemme vorzugsweise mit mindestens 25° der Peripherie des Substrats ein, bevorzugter mit etwa 45° bis etwa 90°, und noch bevorzugter von etwa 90° bis etwa 180° der Peripherie des Substrats. Wenn ein Wafer-Flat verwendet wird, dann zeigt die flache Kante weg von der anfänglichen Abziehposition, so dass die flache Kante der letzte Bereich des Wafers ist, der während des Debondingschritts abgelöst wird.
  • Es ist wichtig, dass das Ringklemmenkörper 42, wenn er eingeklemmt ist, nur mit dem zweiten Substrat 22 in Eingriff steht und keinen Kontakt mit dem ersten Substrat 12 hat. Wenn folglich das erste Substrat 12 ein Vorrichtungswafer ist, dann ermöglicht es das Verfahren und die Vorrichtung der Erfindung, dass der Stapel 10 wirksam getrennt wird, ohne dass eine mechanische Kraft oder Belastung auf den Vorrichtungswafer wirkt, wodurch die Gefahr des Brechens oder der Beschädigung der Vorrichtung minimiert wird. Wie vorstehend erläutert, wird der Randbond 34 oder die periphere Region der Bondingschicht 40 vorzugsweise teilweise oder im Wesentlichen vor der Trennung der Substrate entfernt. Der Randbond 34 oder die periphere Region der Bondingschicht 40 muss jedoch nicht entfernt werden. Dort, wo der Randbond 34 oder die periphere Region der Bondingschicht 40 vorhanden ist, kann der Ringklemmenkörper 42 somit auch Kontakt mit dem Randbond 34 oder der peripheren Region der Bondingschicht 40 haben.
  • Bei einer alternativen Ausführungsform, die in 8 gezeigt ist, wird eine Schicht aus einem Klebstofffilm oder Klebstoffstreifen 66 in der Nähe des Futters 64 aufgebracht, um das erste Substrat 12 an dem Futter 64 zu befestigen. Der Stapel 10 wird dann in der Nähe der Klebstofffilmschicht 66 platziert. Geeignete Materialien für die Klebstofffilm- oder Klebstoffstreifenschicht 66 umfassen solche, die eine relativ geringe Adhäsion haben, keinen Klebstoffübergang sowie die Fähigkeit, sich zu dehnen ohne zu reißen. Vorzugsweise wird die Klebstofffilmschicht 66 unter Verwendung von Selbstklebestreifen (Dicing Tape) gebildet, die in der Technik typischerweise verwendet werden, um Vorrichtungssubstrate für Handhabungszwecke bei Vorgängen mit geringen Temperaturen temporär abstützend zu halten. Hier bewirkt die Klebstofffilmschicht 66 eine zusätzliche abstützende Halterung für das erste Substrat 12 nach der Trennung, und zwar insbesondere dann, wenn das Vorrichtungssubstrat 12 empfindliche Strukturen hat, die darauf aufgebaut sind, oder wenn es verdünnt ist. Bevorzugte Selbstklebestreifen sind aus der Gruppe ausgewählt, die Polyvinylchlorid, Polyethylen, Polyolefin und Kombinationen daraus enthält. Die Klebstofffilmschicht 66 hat vorzugsweise eine Dicke von etwa 0,01 mm bis etwa 3 mm, bevorzugter von etwa 0,05 mm bis etwa 1 mm, und noch bevorzugter von etwa 0,07 mm bis etwa 0,2 mm.
  • Unter Bezugnahme auf 9, und zwar unabhängig von der Ausführungsform, wird eine Kraft (vorzugsweise nach oben gerichtet) auf lediglich einen Bereich (z. B. weniger als 1/2, vorzugsweise weniger als 1/3, bevorzugter weniger als 1/4, und noch bevorzugter weniger als 1/10) der Peripherie des Ringklemmenkörpers 42 während des Abtrennens aufgebracht, wodurch der entsprechende Bereich der Peripherie des zweiten Substrats 22, definiert durch die Kante 27, in eine Richtung weg von dem Vorrichtungswafer 12 angehoben wird, und zwar beginnend bei der peripheren Region 28 des Substrats 22. Die Höhe der Kraft, die auf die Kante des Substrats aufgebracht wird, variiert, reicht aber vorzugsweise von etwa 0,25 Newton bis etwa 100 Newton, bevorzugter von etwa 2 Newton bis etwa 75 Newton, und noch bevorzugter von etwa 5 Newton bis etwa 50 Newton, gemessen an der Kante des Substrats. Folglich wird das zweite Substrat 22 von dem Stapel 10 durch eine Abziehbewegung getrennt, wie vorstehend beschreiben. Es ist offensichtlich, dass die Position der anfänglichen Abtrennung in 9 nur beispielhaft dargestellt ist und dass die tatsächliche Position der Abtrennung von den Materialien und Oberflächenbehandlungen (falls vorhanden) abhängt, die verwendet werden, um den Stapel zu bilden, wie vorstehend beschrieben, einschließlich der Position und/oder der Strukturierung der nichtklebrigen Oberflächenmodifikation oder der Schichten mit geringer Bondingfestigkeit, die in dem Stapel enthalten sind. Wie vorstehend erläutert, kann die Position des Wegfalls der Adhäsion, durch die die anfängliche Position der Abtrennung bestimmt ist, so modifiziert werden, wie dies vom Endbenutzer gewünscht ist.
  • Außerdem ist der Ringkörper 42 vorzugsweise flexibel, so dass dann, wenn der Bereich der Peripherie der Ringklemme 41 angehoben wird, sich der Körper 42 in dieser Position mit der Kraft dehnt oder biegt, und zwar vorzugsweise nach oben. Diese Biegung in dem Ringkörper 42 bewirkt, dass der entsprechende Bereich der Peripherie des Substrats 22 auf ähnliche Weise mit einem Winkel weg von dem Stapel 10 dehnt oder biegt. Das heißt, wie in 9 gezeigt, wenn ein Bereich der Peripherie des Ringkörpers 42 angehoben wird, der gegenüberliegende Bereich des. Ringkörpers 42 im Wesentlichen stationär bleibt und nicht in Reaktion auf das Anheben des anderen Bereichs nach unten auf den Stapel 10 gedrückt wird. Um die Abtrennung weiter zu erleichtern kann das Futter 64, durch das das erste Substrat 12 befestigt ist, während des Abtrennens graduell von dem zweiten Substrat 22 wegbewegt werden und wird vorzugsweise nach unten gerichtet abgesenkt. Das Absenken des Futters 64 kann gleichzeitig mit dem Aufbringen der Kraft auf die Ringklemme 42 erfolgen. Alternativ wird die Kraft auf das zweite Substrat 22 und die resultierende Abziehbewegung durch die Bewegung des Futters 64 weg von dem zweiten Substrat 22 bewirkt, das im Wesentlichen stationär gehalten wird, wenn der Stapel 10 weggezogen wird.
  • Vorteilhafterweise, und im Gegensatz zu Bondingverfahren gemäß Stand der Technik, erfordert die Abtrennung nicht das Überwinden von stark klebenden Bonds zwischen der Füllschicht 32, dem Randbond 43 oder der Bondingschicht 40 sowie der gesamten Oberfläche des Substrats 12 oder des Substrats 22. Stattdessen ist es lediglich erforderlich, die klebenden Bonds an dem Randbond 34 oder der peripheren Region der Bondingschicht 40 zu lösen, die mit den peripheren Regionen 18 und 28 Kontakt hat, damit die Abtrennung stattfindet. Nach der Trennung kann die Oberfläche des ersten Substrats 12 danach mit geeigneten Lösungsmitteln oder irgendwelchen anderen Nass- oder Trockenätztechniken gesäubert werden, was erforderlich ist, um Materialreste des Randbonds 34, der Füllschicht 32 oder der Bondingschicht 40 zu entfernen, falls vorhanden.
  • In einer weiteren Ausführungsform, das in 10 dargestellt ist, in der für gleiche Teile die gleiche Nummerierung verwendet wird, ist die Ringklemme 42 durch ein flexibles Futter 68 mit einer Peripherie ersetzt. Das flexible Futter ist ausgestaltet, um eine adäquate Zugkraft zur Verfügung zu stellen, um das zweite Substrat 22 während der nachfolgenden Schritte zu befestigen. Dieses flexible Futter 68 kann Vakuumkraft, elektrostatische Kraft oder irgendein anderes geeignetes Mittel verwenden, das eine geeignete Kraft zur Verfügung stellt, um eine abstützende Halterung für das zweite Substrat 22 zu bewirken, ohne Beschädigungen zu verursachen, während gleichzeitig ermöglicht wird, dass es gebogen werden kann, um die Abziehbewegung zu erzeugen. Geeignete Materialien für das flexible Futter 68 umfassen solche, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die Silikone, Polyimide, Polyamide, Olefine, Fluorpolymere, Nitrile, andere Kautschuke und irgendwelche anderen flexiblen Materialien enthält. Wie schon bei der Ringklemmen-Ausführungsform kann ebenfalls ein Klebstofffilm 66 verwendet werden, um das erste Substrat 12 in dem Stapel abstützend zu halten, wie in 11 gezeigt ist. Bei jeder Ausführungsform wird dann eine Kraft auf einen Bereich der Peripherie des flexiblen Futters 68 aufgebracht, um dadurch den entsprechenden Bereich der Peripherie des zweiten Substrats 22 anzuheben und um es mit einer Abziehbewegung von dem Stapel 10 zu entfernen, wie beschrieben. Auch hier hängt die tatsächliche Position der anfänglichen Trennung zwischen den Materialen in der peripheren Region 28 und in der zentralen Region 30 des Substrats 22 von den verwendeten Materialien und der Position der Oberflächenbehandlung (falls vorhanden), der Füllschicht 32, dem Randbond 34 und/oder der Bondingschicht 40 ab. Das erste Substrat 12 kann dann mit geeigneten Lösungsmitteln gesäubert werden, falls erforderlich, um verbliebene Materialien des Randbonds 34, der Füllschicht 32 oder der Bondingschicht 40 zu entfernen, falls vorhanden. Wenn das erste Substrat 12 ein Vorrichtungswafer ist, dann wird bei dem erfindungsgemäßen Trennverfahren vorteilhaft keine mechanische Kraft oder Belastung auf den Vorrichtungswafer aufgebracht, wodurch das Risiko des Brechens oder der Beschädigung des Wafers während des Trennens minimiert wird.
  • Bei noch einer weiteren Ausführungsform, wie in 12 gezeigt, ist die Ringklemme 42 durch einen Klebstofffilm 70 ersetzt, der ausgestaltet ist, um eine adäquate Zugkraft zur Verfügung zu stellen, um das zweite Substrat 22 während der nachfolgenden Schritte zu befestigen. Dieser Klebstofffilm 70 kann einen Bereich von Backmaterialien und Klebstoffen mit hoher Bondfestigkeit bis zu geringer Bondfestigkeit und einer Vielfalt von Abstützfestigkeiten beinhalten, die in der Lage sind, eine adäquate Haltekraft zur Verfügung zu stellen, um die Bondkräfte zu überwinden, die in der zentralen Region 30 und in der peripheren Region 28 erzeugt werden, während eine begrenzte Abstützung für das zweite Substrat 22 bewirkt wird, ohne Beschädigungen zu erzeugen, wobei es immer noch möglich ist, es zu biegen, um die Abziehbewegung zu erzeugen. Bevorzugte Materialien für den Klebstofffilm 70 umfassen Polyvinylchlorid, Polyethylen, Polyolefin und Kombinationen daraus. Der Klebstofffilm 70 hat vorzugsweise eine Dicke von etwa 0,01 mm bis etwa 3 mm, bevorzugter von etwa 0,05 mm bis etwa 1 mm, und noch bevorzugter von etwa 0,07 mm bis etwa 0,2 mm. Wie bei der Ringklemmen-Ausführungsform kann außerdem ein Klebstofffilm 66 verwendet werden, um das erste Substrat 12 in dem Stapel abstützend zu halten, wie in 13 gezeigt. Bei jeder Ausführungsform wird eine Kraft auf einen Bereich der Peripherie des Klebstofffilms 70 aufgebracht, um den entsprechenden Bereich der Peripherie des zweiten Substrats 22 anzuheben, um ihn mit einer Abziehbewegung von dem Stapel 10 zu entfernen, wie beschrieben. Auch hier hängt die tatsächliche Position der anfänglichen Trennung zwischen den Materialien in der peripheren Region 28 und in der zentralen Region 30 des Substrats von den verwendeten Materialien und der Position der Oberflächenbehandlung (falls vorhanden), der Füllschicht 32, dem Randbond 34 und/oder der Bondingschicht 40 ab.
  • Obwohl vorstehend das primäre Verfahren zum Durchführen der vorliegenden Erfindung beschrieben ist, gibt es zahlreiche alternative Ausführungsbeispiele der Erfindung. Zum Beispiel wurde in den obigen Ausführungsformen das erste Substrat 12 als ein Vorrichtungswafer und das zweite Substrat 22 als ein Trägersubstrat beschrieben. Es ist ebenso akzeptierbar, dass das erste Substrat 12 das Trägersubstrat und das zweite Substrat 22 der Vorrichtungswafer ist. In diesem Fall ist die Vorderseitenoberfläche 14 des ersten Substrats 12 keine Vorrichtungsoberfläche sondern eine Trägeroberfläche. Außerdem ist die Fläche 24 des zweiten Substrats 22 keine Trägeroberfläche sondern eine Vorrichtungsoberfläche. Mit anderen Worten, die Füllschicht 32 kann auf den träger aufgebracht werden statt auf den Vorrichtungswafer, oder die Oberflächenbehandlung 38 kann auf dem Vorrichtungswafer durchgeführt werden statt auf dem Träger, wodurch die gleiche Qualität der gestapelten Struktur 10 während des nachfolgenden Bondingschritts realisiert wird. Außerdem, obwohl die Ausführungsformen der 7–13 den Stapel 10 zeigen, bei dem der Randbond 34 oder die periphere Region der Bondingschicht 40 entfernt ist, müssen der Randbond 34 oder die periphere Region der Bondingschicht 40 nicht entfernt werden, bevor die Trennung der Wafer durchgeführt wird.
  • Außerdem, anstelle der sequentiellen Aufbringens der Füllschicht 32, des Randbonds 34, der Oberflächenmodifikation 38 und/oder der Bondingschicht 40 auf das gleiche Substrat 12, ist es ebenso möglich, die Füllschicht 32, den Randbond 34, die Oberflächenmodifikation 38 und/oder die Bondingschicht 40 auf das erste Substrat 12 und die anderen von der Füllschicht 32, dem Randbond 34, der Oberflächenmodifikation 38 und/oder der Bondingschicht 40 auf das zweite Substrat 12 aufzubringen. Das erste und das zweite Substrat 12, 22 können dann in gegenüberliegender Beziehung unter Anwendung von Hitze und/oder Druck zusammengepresst werden, wie dies vorstehend beschrieben wurde, um diese beiden zu bonden.
  • Schließlich, obwohl es in einigen Ausführungsformen bevorzugt ist, dass die Füllschicht 32 keine stark klebenden Bonds entweder mit der Vorrichtungsoberfläche 14 oder der Trägeroberfläche 24 bildet, kann es in anderen Ausführungsformen gewünscht sein, die Füllschicht 32 so zu gestalten, dass sie keine stark klebenden Bonds mit nur einer der Vorrichtungsoberfläche 14 oder der Trägeroberfläche 24 bildet. Wie es auch der Fall bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen war, können die Substrate 12 und 22 umgekehrt sein, so dass das erste Substrat 12 das Trägersubstrat und das zweite Substrat 22 der Vorrichtungswafer ist. Auch in diesem Fall ist die Vorderseitenoberfläche 14 des ersten Substrats 12 keine Vorrichtungsoberfläche sondern eine Trägeroberfläche. Ferner ist die Oberfläche 24 des zweiten Substrats 22 keine Trägeroberfläche sondern stattdessen eine Vorrichtungsoberfläche.
  • Es ist offensichtlich, dass der Mechanismus zum Härten oder Aushärten dieser Materialien auf einfache Weise unter jenen ausgewählt und eingestellt werden kann, die dem Fachmann bekannt sind. Beispielsweise kann es bei einigen Ausführungsformen gewünscht sein, eine nicht-aushärtende Zusammensetzung zu verwenden, um sie bei späteren Entfernungs- und Reinigungsprozessen leichter auflösen zu können. Für jedes dieser Materialien wären thermoplastische oder kautschukartige Zusammensetzungen (typischerweise mit einem gewichtsgemittelten Molekulargewicht von mindestens etwa 5000 Dalton), harzartige oder Rosin-harzartige Zusammensetzungen (typischerweise mit einem gewichtsgemittelten Molekulargewicht von weniger als etwa 5000 Dalton) und Mischungen der Vorgenannten geeignet.
  • Es ist offensichtlich, dass das Vorstehende dazu verwendet werden kann, etliche integrierte Mikrovorrichtungen herzustellen, einschließlich solcher, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die Silizium-basierte Halbleitervorrichtungen, Verbindungshalbleiter-basierte Vorrichtungen, Arrays aus eingebetteten passiven Vorrichtungen (z. B. Widerständen, Kondensatoren, Spulen), MEMS-Vorrichtungen, Mikrosensoren, photonische Schaltungsvorrichtungen, lichtemittierende Dioden, Wärmemanagementvorrichtungen und ebene Packungssubstrate (z. B. Interposer) beinhaltet, an die eine oder mehrere der vorgenannten Vorrichtungen angebracht worden ist/sind oder wird/werden.
  • Die folgenden Beispiele stellen bevorzugte Verfahren gemäß der Erfindung dar. Es soll jedoch verstanden werden, dass diese Beispiele der Veranschaulichung dienen und nichts darin als Einschränkung des Gesamtumfangs der Erfindung angenommen werden soll.
  • Beispiel 1
  • Trennung von randgebondeten Wafern mit modifizierter mittlerer Oberfläche unter Verwendung einer handbetätigten Abzieheinrichtung mit Entfernen von Bondingmaterial vom äußeren Rand
  • Bei dieser Prozedur wird ein Waferstapel gemäß einem Verfahren der Erfindung vorbereitet und dann unter Verwendung eines handbetätigten Abziehseparators getrennt. Vor dem Zusammenkleben von zwei Wafern wird die mittlere Kontaktfläche von einem Wafer unter Verwendung einer fluorierten Silanlösung chemisch modifiziert, um ein Klebestärkedifferential über der Waferoberfläche zu erzeugen. Ein Bondingmaterial (WaferBOND® HT10.10, zu erwerben von Brewer Science, Inc., Rolla, MO) wird auf die Oberfläche eines 200-mm Siliziumwafers (Wafer 1) an der äußeren Kante aufgetragen, um eine sehr dünne Beschichtung um die periphere Region der Waferoberfläche herum zu bilden, die eine Breite von etwa 2,5 mm und eine Dicke von etwa 0,5 µm hat. Dann wurde eine oberflächenmodifizierende Zusammensetzung gebildet, indem ein fluoriertes Silan ((Heptadecafluor-1,1,2,2-tetrahydrodecyl)trichlorsilan; Gelest Inc., Morrisville, PA) unter Verwendung von FC-40-Lösungsmittel (Perfluor-Zusammensetzung mit primär C12, verkauft unter dem Namen FLUORINERT® und erhältlich bei AMS Materials LLC, Jacksonville, FL) auf eine 1%ige Lösung verdünnt wurde. Die resultierende Lösung wurde auf die Oberfläche von Wafer 1 rotationsbeschichtet, gefolgt von einem Backen auf einer Heizplatte bei 100°C für 1 Minute. Der Wafer wurde dann in einem Spincoater mit zusätzlichem FC-40-Lösungsmittel abgespült, um nichtreagiertes Silan von der mittleren Oberfläche zu entfernen, und bei 100°C für eine weitere Minute gebacken. Durch das Bondingmaterial wird verhindert, dass die oberflächenmodifizierende Zusammensetzung mit dem Rand des Wafers in Kontakt kommt, wodurch dieser unbehandelt bleibt, während der mittlere Abschnitt behandelt wird. Das Bondingmaterial reagiert nicht mit dem Silan, das während des Abspülschritts abgewaschen wird, und somit bleibt die Oberfläche des Bondingmaterials ebenfalls unbehandelt. Dem Bondingmaterial wird ermöglicht, für nachfolgende Verarbeitungsschritte auf dem Rand des Wafers 1 zu verbleiben (d. h. es wird vor dem Kleben der Wafer nicht entfernt).
  • Anschließend wurde die Oberfläche des anderen 200-mm Siliziumwafers (Wafer 2) mit der gleichen Bondingzusammensetzung (WaferBOND® HT10.10) mittels Rotationsbeschichtung zu einer Schicht mit einer Dicke von etwa 15 µm beschichtet. Der Wafer 2 wurde dann bei 110°C für 2 Minuten gebacken, gefolgt von 160°C für weitere 2 Minuten. Die beschichteten Wafer wurden dann in gegenüberliegender Beziehung unter Vakuum in einer erhitzten Vakuum- und Druckkammer bei 220°C und 15 psig für 3 Minuten gebondet, so dass das Wafermaterial auf Wafer 1 und das Bondingmaterial auf Wafer 2 zusammenfließen, um eine Bondingschicht zu bilden.
  • Um anschließend den peripheren Rand der Bondingschicht zu entfernen, wurden die gebondeten Wafer in dem Bondingmaterial-Entfernungsmittel (WaferBOND® Remover, erhältlich bei Brewer Science, Inc., Rolla, MO) für etwa eine Stunde getränkt, um das Bondingmaterial von der äußeren Zone zu entfernen. Der Entfernungsprozess ist beendet, wenn der Entfernungsprozess die fluorierte Silanbeschichtung in der Mitte des Wafers 1 erreicht. Die Entfernungszeitdauer variiert abhängig von der Dicke der Bondingschicht und kann empirisch bestimmt werden. Allgemein gilt: je dicker die Bondingschicht ist, desto schneller ist die Entfernungsrate, und zwar aufgrund des größeren Raums zwischen den Wafern, wodurch ein größerer Lösungsmittelkontakt ermöglicht wird. Vorteilhafterweise ist die behandelte mittlere Oberfläche ebenfalls hydrophob, so dass das Lösungsmittel außerdem wirksam eine Benetzung durch die Schicht stoppt, wenn es die Mitte erreicht. Idealerweise findet ein vollständiges Entfernen des Randbereichs der Bondingschicht statt, wobei es jedoch lediglich erforderlich ist, die Schicht seitlich um den Rand der Bondingschicht herum aufzubrechen (d. h. einen Spalt zu schaffen), um die Wafer wirksam zu trennen. Daher sind Bondingmaterialreste auf der peripheren Kante des Wafers 1 und des Wafers 2 akzeptierbar.
  • Die resultierenden gestapelten Wafer wurden dann unter Verwendung einer Ringklemme (siehe 5(a)) mit einem an den freien Enden angebrachten Griff für eine handbetätigte Trennung getrennt. Wafer 2 wurde durch ein Vakuumfutter in seiner Position gehalten, und der Haltering der Ringklemme wurde in Umfangsrichtung um die Peripherie des Wafers 1 platziert, wobei die Enden des Rings in proximaler Beziehung zusammengeklemmt werden, um einen gleichmäßigen Druck um die Kanten des Wafers zu bewirken (d. h. um den Umfang des Wafers). Der an der Ringklemme angebrachte Griff wurde dann gekippt, so dass die freie Kante des Griffs nach oben und weg von der transversalen Ebene des Stapels angehoben wird, wodurch bewirkt wird, dass die Ringklemme abgelenkt wird, wodurch die Kante des Wafers 1 in einer Abziehbewegung nach oben und weg vom Wafer 2 angehoben wird. Nach dem Trennen befand sich der einzige Rest der Bondingzusammensetzungsbeschichtung an dem Wafer 1 an der peripheren Region (2,5 mm breite unbehandelte Oberfläche) des Wafers 1. Es gab keinen Übergang von Bondingmaterial auf die behandelte mittlere Fläche des Wafers 1. Die Bondingmaterialbeschichtung verblieb auf Wafer 2 in der Mitte, mit Resten an der peripheren Region. Jeder Wafer in diesem Beispiel kann als der Vorrichtungswafer oder der Trägerwafer betrachtet werden.
  • Beispiel 2
  • Trennung eines verklebten Waferstapels unter Verwendung eines handbetätigten Abziehseparators
  • Bei dieser Prozedur wird ein Waferstapel gemäß einem anderen Verfahren der Erfindung vorbereitet und dann unter Verwendung eines handbetätigten Abziehseparators getrennt. Vor dem Zusammenkleben von zwei Wafern wird die mittlere Kontaktfläche von einem Siliziumwafer unter Verwendung einer fluorierten Silanlösung chemisch modifiziert, um ein Klebestärkedifferential über der Waferoberfläche zu erzeugen. Um die mittlere Oberfläche des Wafers zu modifizieren wurde die Kante des Wafers zuerst unter Verwendung einer Beschichtung aus einem Epoxidharz-basierten Photoresist (SU-8 2002, Microchem, Newton, MA) maskiert. Die Photoresistzusammensetzung wurde auf die äußere Randoberfläche eines 200-mm Siliziumwafers (Wafer 1) aufgetragen, um einen peripheren ringförmigen Abschnitt der Waferoberfläche zu bilden, die etwa 2,5 mm breit war.
  • Dann wurde ein fluoriertes Silan ((Heptadecafluor-1,1,2,2-tetrahydrodecyl)trichlorsilan; Gelest Inc., Morrisville, PA) unter Verwendung von FC-40-Lösungsmittel (Perfluoralkyl-Zusammensetzung mit primär C12, verkauft unter dem Namen FLUORINERT® und erhältlich bei AMS Materials LLC, Jacksonville, FL) auf eine 1%ige Lösung verdünnt. Die resultierende Lösung wurde auf die Oberfläche von Wafer 1 rotationsbeschichtet. Der Wafer wurde auf einer Heizplatte bei 100°C für 1 Minute gebacken und dann in einem Spincoater mit FC-40-Lösungsmittel abgespült, gefolgt von einem Backen bei 100°C für zusätzlich 1 Minute. Die Epoxidharz-basierte Photoresistmaske wurde dann unter Verwendung von Aceton in einem Spincoater entfernt, um den unbehandelten Rand des Wafers freizulegen. Somit wurde nur der mittlere Bereich des Wafers 1 mit der fluorierten Silanlösung behandelt und blieb ”nicht-klebrig”, während die Kanten des Wafers eine bondingfähige Oberfläche behalten.
  • Die Oberfläche eines weiteren 200-mm Siliziumwafers (Wafer 2) wurde mit einer Bondingzusammensetzung (WaferBOND® HT10.10) mittels Rotationsbeschichtung beschichtet. Dieser Wafer wurde dann bei 110°C für 2 Minuten und anschließend bei 160°C für 2 Minuten gebacken. Die beschichteten Wafer wurden dann in einer gegenüberliegenden Anordnung unter Vakuum in einer beheizten Vakuum- und Druckkammer bei 220°C und 10 psig für 3 Minuten gebondet.
  • Die resultierenden gestapelten Wafer wurden dann unter Verwendung einer Ringklemme (siehe 5(a)) mit einem an den freien Enden angebrachten Griff für eine handbetätigte Trennung getrennt. Bei dieser Prozedur wird die periphere Region der Bondingzusammensetzung vor dem Trennen nicht entfernt. Wafer 2 wurde durch ein Vakuumfutter in seiner Position gehalten, und der Haltering der Ringklemme wurde in Umfangsrichtung um die Peripherie des Wafers 1 platziert, wobei die Enden des Rings zusammengeklemmt werden, um einen gleichmäßigen Druck um die Kanten des Wafers zu bewirken (d. h. um den Umfang des Wafers). Der an der Ringklemme angebrachte Griff wurde dann gekippt, so dass die freie Kante des Griffs nach oben und weg von der transversalen Ebene des Stapels angehoben wird, wodurch bewirkt wird, dass die Ringklemme abgelenkt wird, wodurch die Kante des Wafers 1 in einer Abziehbewegung nach oben und weg vom Wafer 2 angehoben wird. Nach dem Trennen wurde nur ein etwa 2,5 mm breiter Ring der Bondingzusammensetzungsbeschichtung auf die Kante des Wafers 1 übertragen, während der Rest der Bondingzusammensetzung an dem Wafer 2 verblieb. Das heißt, die Bondingzusammensetzung klebte nur an der äußeren Randoberfläche des Wafers 1 und klebte nicht an der chemisch behandelten mittleren Oberfläche des Wafers 1. In diesem Beispiel kann jeder Wafer als der Vorrichtungswafer oder der Trägerwafer betrachtet werden.
  • Beispiel 3
  • Handbetätigter Abziehseparator, der zum Trennen des Waferstapels verwendet wird, wobei die mittlere Kontaktfläche mit einem Trennungsmaterial beschichtet ist
  • Bei dieser Prozedur wird ein Waferstapel gemäß einem anderen Verfahren der Erfindung vorbereitet und dann wieder unter Verwendung eines handbetätigten Abziehseparators getrennt. Vor dem Zusammenkleben von zwei Wafern wird die mittlere Kontaktfläche von einem Siliziumwafer unter Verwendung eines Trennungsmaterials beschichtet, um ein Klebestärkedifferential über der Schnittstelle zwischen der Waferoberfläche und der mittleren Schicht zu erzeugen. Zuerst wurde ein negatives Epoxidharz-basiertes Photoresist (verkauft unter dem Namen SU-8 2010, erhältlich von Microchem) auf die gesamte Oberfläche eines 200-mm Glaswafers (Wafer 1) rotationsbeschichtet, gefolgt von Backen bei 110°C für 2 Minuten, um ein Entfernen des Lösungsmittels zu bewirken. Eine Teflon® AF Lösung (Teflon® AF2400 in FC-40, erhältlich von DuPont) wurde dann auf die Photoresistschicht rotationsbeschichtet, um eine nichtklebrige Schicht zu erzeugen. Anschließend wurde FC-40-Lösungsmittel auf die Oberfläche des Wafers an dem äußeren Rand aufgegeben, um einen etwa 1 bis 3 mm breiten Abschnitt der Teflon®AF Beschichtung von der peripheren Kante der Waferoberfläche zu entfernen, gefolgt von Backen bei 110°C für 2 Minuten, um das Lösungsmittel zu entfernen.
  • Der Wafer wurde dann in einer gegenüberliegenden (einander zugewandten) Anordnung mit einem rohen 200-mm Siliziumwafer (Wafer 2) in einer beheizten Vakuum- und Druckkammer unter Vakuum bei 120°C und 10 psig für 3 Minuten gebondet. Während dieses Schritts fließt die Photoresistschicht um die Teflon®-Schicht herum, um die Spalte an der äußeren Kante des Wafers zu füllen, wo die Teflon®-Schicht entfernt wurde, wodurch sie mit der peripheren Kante des Wafers 2 gebondet wird. Die gebondeten Wafer wurden von der äußeren Seite des Glaswafers einem breitbandigen UV-Licht ausgesetzt, gefolgt von Backen bei 120°C für 2 Minuten, um die SU-8 2010-Beschichtung zu vernetzen und auszuhärten.
  • Die resultierenden gestapelten Wafer wurden dann unter Verwendung einer Ringklemme (siehe 5(a)) mit einem an den freien Enden angebrachten Griff für eine handbetätigte Trennung getrennt. Wafer 2 wurde durch ein Vakuumfutter in seiner Position gehalten, und der Haltering der Ringklemme wurde in Umfangsrichtung um die Peripherie des Wafers 1 platziert, wobei die Enden des Rings zusammengeklemmt werden, um einen gleichmäßigen Druck um die Kanten des Wafers zu bewirken (d. h. um den Umfang des Wafers). Der an der Ringklemme angebrachte Griff wurde dann gekippt, wodurch die Kante des Wafers 1 nach oben und weg vom Wafer 2 in einer Abziehbewegung angehoben wird, wie in Beispiel 1 beschrieben. Bei dieser Prozedur wurde die periphere Region der Bondingzusammensetzung vor dem Trennen nicht entfernt. Stattdessen wird die Photoresistschicht an der anfänglichen Trennungsstelle als eine natürliche Folge der Kippbewegung der Ringklemme seitlich eingerissen, so dass ein Teil des Photoresistmaterials auf dem Glasswafer (Wafer 1) verbleibt, während in der unbehandelten Region der Bereich der Schicht auf den Siliziumwafer (Wafer 2) übertragen wurde. Nach der Trennung hatte der Wafer 2 lediglich einen Materialring an den äußeren 1–3 mm, wobei kein Materialübergang in der mittleren Region des Wafers stattfindet, der mit der Teflon®-Trennungsschicht des Wafers 1 Kontakt hatte. In diesem Beispiel kann jeder Wafer als der Vorrichtungswafer oder der Trägerwafer betrachtet werden.
  • Beispiel 4
  • Handbetätigter Abziehseparator, der zum Trennen eines Waferstapels verwendet wird, wobei die mittlere Oberfläche mit einem Material gefüllt ist, das gegenüber jedem Substrat eine geringe Haftung hat
  • Bei dieser Prozedur wird ein Waferstapel gemäß einem anderen Verfahren der Erfindung vorbereitet und dann wieder unter Verwendung eines handbetätigten Abziehseparators getrennt. Vor dem Zusammenkleben von zwei Wafern wird die mittlere Oberfläche von einem Wafer mit einem Trennungsmaterials beschichtet, um ein Klebestärkedifferential über der Waferoberfläche zu erzeugen. Die in Beispiel 3 verwendete Teflon® AF Lösung wurde auf die Oberfläche eines 200-mm Siliziumwafers (Wafer 1) rotationsbeschichtet, um eine Beschichtung mit einer Dicke von etwa 10 µm zu bilden. Anschließend wurde FC-40-Lösungsmittel auf die Oberfläche des Wafers an dem äußeren Rand aufgegeben, um einen etwa 3–5 mm breiten Abschnitt der Teflon® AF Beschichtung von der Waferoberfläche zu entfernen. Der Wafer wurde dann bei 110°C für 2 Minuten gebacken. Danach wurde der Rand des Wafers mit WaferBOND® HT10.10 Bondingzusammensetzung mittels Rotationsbeschichtung beschichtet, wobei das Material lediglich am Rand aufgebracht wurde, um eine Schicht aus Bondingmaterial um die periphere Region der Waferoberfläche zu bilden, die eine Breite von etwa 3–5 mm und eine Dicke von etwa 10 µm hatte. Die Teflon® AF Beschichtung und das Bondingmaterial haben eine einzige, ungleichmäßige Schicht aus Material über der Waferoberfläche gebildet. Der Wafer wurde dann in gegenüberliegender Beziehung mit einem rohen 200-mm Siliziumwafer (Wafer 2) unter Vakuum in einer beheizten Vakuum- und Druckkammer bei 220°C und 10 psig für 2 Minuten gebondet.
  • Die resultierenden gestapelten Wafer wurden dann unter Verwendung einer Ringklemme (siehe 5(a)) mit einem an den freien Enden angebrachten Griff für eine handbetätigte Trennung getrennt. Wafer 2 wurde durch ein Vakuumfutter in seiner Position gehalten, und der Haltering der Ringklemme wurde in Umfangsrichtung um die Peripherie des Wafers 1 platziert, wobei die Enden des Rings zusammengeklemmt werden, um einen gleichmäßigen Druck um die Kanten des Wafers zu bewirken (d. h. um den Umfang des Wafers). Der an der Ringklemme angebrachte Griff wurde dann angehoben, wodurch ein Kippen der Ringklemme bewirkt wird, wodurch die Kante des Wafers 1 nach oben und weg vom Wafer 2 in einer Abziehbewegung angehoben wird, wie in Beispiel 1 beschrieben ist. Bei dieser Prozedur wurde die periphere Region der Bondingzusammensetzung vor dem Trennen nicht entfernt. Nach der Trennung hatte der Wafer 2 lediglich einen Ring aus Bondingmaterial an den äußeren 3–5 mm, wobei kein Material in die Mitte übertragen wird. Der Wafer 1 hatte einen Ring aus Bondingmaterial an den äußeren 3–5 mm, und die Teflon® AF Beschichtung blieb in der Mitte. Das Bondingmaterial wurde über seinen Querschnitt gespalten und zwischen den beiden Wafern getrennt. In diesem Beispiel kann jeder Wafer als der Vorrichtungswafer oder der Trägerwafer betrachtet werden.

Claims (44)

  1. Ringklemme (41) zum Trennen von gebondeten Substraten, die ein erstes Substrat (12) und ein zweites Substrat (22) enthalten, wobei die Ringklemme einen planaren Ringklemmenkörper (42) mit einer runden Form und einer zentralen Öffnung (43) hat, wobei der Körper (42) aufweist: eine ringförmige innere Seitenwand (45); eine ringförmige äußere Seitenwand (46); eine obere Oberfläche (48), die sich zwischen der inneren Seitenwand (45) und der äußeren Seitenwand (46) erstreckt; eine Wafereingriffsfläche (50), die sich von der inneren Seitenwand (45) nach außen erstreckt, wobei die Wafereingriffsfläche (50) an einem Punkt in dem Körper endet, der von der äußeren Seitenwand (46) beabstandet ist; und eine sich nach innen erstreckende ringförmige Rippe (52), die von diesem Punkt nach innen gerichtet und weg von der Wafereingriffsfläche (50) abgeschrägt ist, wobei die Wafereingriffsfläche (50) und die ringförmige Rippe (52) zusammen eine ringförmige Waferaufnahmenut (58) bilden, wobei der Ringklemmenkörper (42), wenn er eingeklemmt ist, nur mit dem zweiten Substrat (22) in Eingriff steht und keinen Kontakt mit dem ersten Substrat (12) hat.
  2. Ringklemme (41) nach Anspruch 1, bei der der Körper (42) eine unitär gebildete, gespaltene Ringklemme mit zwei freien Enden (44a, 44b) aufweist.
  3. Ringklemme (41) nach Anspruch 1, bei der die ringförmige Rippe (52) in einer freien Kante (54) endet und eine abgeschrägte Schulterfläche (56) aufweist, die sich zwischen der freien Kante und dem Punkt erstreckt, an dem die Wafereingriffsfläche (50) in dem Körper endet.
  4. Ringklemme (41) nach Anspruch 3, bei der die Nut einen Winkel (θ), gemessen von der Wafereingriffsfläche (50) zur Schulterfläche der Rippe, von 10° bis 90° hat.
  5. Ringklemme (41) nach Anspruch 3, bei der sich die freie Kante der ringförmigen Rippe nach innen nicht hinter eine Ebene erstreckt, die durch die innere Seitenwand (45) definiert ist, so dass die innere Rippe von der inneren Seitenwand nach außen versetzt ist.
  6. Ringklemme (41) nach Anspruch 1, bei der der Körper mehrere Teile aufweist, wobei jedes Teil unitär gebildet ist.
  7. Ringklemme (41) nach Anspruch 1, bei der der Körper aus einem Material gebildet ist, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die Metalle, Keramiken, Polymere, Komposite und Kombinationen daraus enthält.
  8. Ringklemme (41) nach Anspruch 1, bei der der Körper eine Breite ”W”, gemessen von der inneren Seitenwand zu der äußeren Seitenwand, von 0,1 bis 50 mm hat.
  9. Ringklemme (41) nach Anspruch 1, bei der die innere Seitenwand eine Dicke ”t” von 0,1 bis 15 mm hat.
  10. Ringklemme (41) nach Anspruch 1, bei der die äußere Seitenwand eine Dicke ”T” von 0,15 bis 16 mm hat.
  11. Verfahren zum temporären Bonden, das umfasst: Bereitstellen eines Stapels, mit: einem ersten Substrat (12), das eine Rückseitenoberfläche (16) und eine Vorrichtungsoberfläche (14) hat, wobei die Vorrichtungsoberfläche eine periphere Region (18) und eine zentrale Region (20) hat; einem zweiten Substrat (22), das mit dem ersten Substrat (12) gebondet ist, wobei das zweite Substrat (22) eine Trägeroberfläche (24), eine Rückseitenoberfläche (26) und eine äußerste Kante (27) hat, wodurch die Peripherie des zweiten Substrats definiert ist, wobei die Trägeroberfläche eine periphere Region (28) und eine zentrale Region (30) hat; und Trennen des ersten und des zweiten Substrats unter Verwendung einer Abziehbewegung durch Aufbringen einer Kraft ausschließlich auf einen Bereich der Peripherie des zweiten Substrats (22), wodurch bewirkt wird, dass das zweite Substrat mit einem Winkel weg von dem Stapel gebogen wird, wodurch das erste Substrat und das zweite Substrat getrennt werden.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem der Stapel außerdem eine Zwischenschicht (32, 40) zwischen dem ersten Substrat (12) und dem zweiten Substrat (22) aufweist.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Zwischenschicht mit der Vorrichtungsoberfläche (14) und mit der peripheren Region (28) der Trägeroberfläche (24) gebondet ist, wobei die Zwischenschicht und die zentrale Region (30) der Trägeroberfläche (24) zwischen sich eine Kopplung mit geringer Bondingfestigkeit haben.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Kopplung mit geringer Bondingfestigkeit eine Oberflächenmodifikation der zentralen Region (30) der Trägeroberfläche (24) beinhaltet.
  15. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Kopplung mit geringer Bondingfestigkeit eine zweite Schicht zwischen der Zwischenschicht und der zentralen Region der Trägeroberfläche beinhaltet.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die zweite Schicht aus der Gruppe ausgewählt ist, die eine Schicht mit geringer Klebestärke und eine Polymerschicht beinhaltet.
  17. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Zwischenschicht ein Füllmaterial (32) benachbart zu den zentralen Regionen und einen Randbond benachbart zu den peripheren Regionen beinhaltet.
  18. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Zwischenschicht eine gleichmäßige Bondingschicht beinhaltet.
  19. Verfahren nach Anspruch 12, das außerdem das mechanische oder chemische Durchbrechen der Zwischenschicht benachbart zu den peripheren Regionen umfasst, um vor dem Trennen mindestens einen Bereich der Zwischenschicht zu entfernen.
  20. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Trägeroberfläche eine strukturierte Oberflächenmodifikation (38) beinhaltet, wobei die Zwischenschicht mit der Vorrichtungsoberfläche und mit den nichtmodifizierten Bereichen der Trägeroberfläche gebondet ist, wobei die Zwischenschicht und die oberflächenmodifizierten Bereiche der Trägeroberfläche zwischen sich eine Kopplung mit geringer Bondingfestigkeit haben.
  21. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Vorrichtungsoberfläche mit einem Array aus Vorrichtungen versehen ist, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die integrierte Schaltungen, MEMS, Mikrosensoren, Leistungshalbleiter, lichtemittierende Dioden, photonische Schaltungen, Interposer, eingebettete passive Vorrichtungen und Mikrovorrichtungen enthält, die auf oder aus Silizium, Silizium-Germanium, Galliumarsenid und Galliumnitrid hergestellt sind.
  22. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem die Vorrichtungsoberfläche mindestens eine Struktur aufweist, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die Lötperlen, Metallstifte, Metallsockel und Strukturen umfasst, die aus einem Material gebildet sind, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die Silizium, Polysilizium, Siliziumdioxid, Silicium(oxy) nitrid, Metall, Dielektrika mit geringem k-Wert, polymere Dielektrika, Metallnitride und Metallsilizide beinhaltet.
  23. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das zweite Substrat ein Material enthält, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die Silizium, Saphir, Quarz, Metall, Glass und Keramiken enthält.
  24. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem ferner der Stapel einer Bearbeitung unterzogen wird, die aus der Gruppe ausgewählt ist, die Rückseitenschleifen, chemisch-mechanisches Polieren, Ätzen, Abscheiden von Metallen oder Dielektrika, Musterbildung, Passivierung, Glühen und Kombinationen davon enthält, bevor das erste und das zweite Substrat getrennt werden.
  25. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das Trennen unter Verwendung einer Ringklemme (41) durchgeführt wird, die einen planaren Körper (42) mit einer runden Form hat, wodurch die Peripherie der Ringklemme und eine zentrale Öffnung (43) definiert wird, wobei die Ringklemme um die Peripherie des zweiten Substrats (22) herum angebracht wird, und wobei die Kraft lediglich auf einen Bereich der Peripherie der Ringklemme aufgebracht wird, wodurch der entsprechende Bereich der Peripherie des zweiten Substrats in einer Abziehbewegung weg von dem Stapel angehoben wird.
  26. Verfahren nach Anspruch 25, bei dem der Körper (42) aufweist: eine ringförmige innere Seitenwand (45); eine ringförmige äußere Seitenwand (46); eine obere Oberfläche (48), die sich zwischen der inneren Seitenwand (45) und der äußeren Seitenwand (46) erstreckt; eine Wafereingriffsfläche (50), die sich von der inneren Seitenwand (45) nach außen erstreckt, wobei die Wafereingriffsfläche an einem Punkt in dem Körper endet, der von der äußeren Seitenwand beabstandet ist; und eine sich nach innen erstreckende ringförmige Rippe (52), die von diesem Punkt nach innen gerichtet und weg von der Wafereingriffsfläche (50) abgeschrägt ist, wobei die Wafereingriffsfläche (50) und die ringförmige Rippe (52) zusammen eine ringförmige Waferaufnahmenut bilden, wobei mindestens ein Bereich der Peripherie des zweiten Substrats in der Nut aufgenommen ist.
  27. Verfahren nach Anspruch 26, bei dem der Körper (42) die Form einer gespaltenen Ringklemme mit zwei freien Enden (44a, 44b) hat.
  28. Verfahren nach Anspruch 27, bei dem die Ringklemme (41) um die Peripherie des zweiten Substrats (22) befestigt ist durch: Bewegen der freien Enden weg voneinander, um dadurch die zentrale Öffnung des Körpers zu vergrößern; Platzieren der Ringklemme um die Peripherie des zweiten Substrats; und Ziehen der freien Enden in Richtung aufeinander, um mit Druck einen Eingriff mit dem zweiten Substrat zu bewirken, und zwar vor dem Trennen, wobei die ringförmige Rippe der Ringklemme in einer freien Kante endet und eine abgeschrägte Schulterfläche hat, die sich zwischen der freien Kante der Rippe und dem Punkt erstreckt, an dem die Wafereingriffsfläche in dem Körper endet, wobei die Rückseitenoberfläche des zweiten Substrats mit der Wafereingriffsfläche des Körpers in Eingriff steht und wobei die äußerste Kante sowie die periphere Region des zweiten Substrats mit der Schulter sowie der freien Kante der Rippe in Eingriff stehen.
  29. Verfahren nach Anspruch 28, bei dem die Ringklemme mit mindestens 1° der Peripherie des zweiten Substrats in Eingriff steht.
  30. Verfahren nach Anspruch 26, bei dem die Ringklemme mit dem ersten Substrat keinen Kontakt hat.
  31. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das erste Substrat des Stapels vor dem Trennen der Substrate an einem Futter befestigt wird.
  32. Verfahren nach Anspruch 31, bei dem das erste Substrat an dem Futter angebracht ist, und zwar mittels einer elektrostatischen Kraft, einer Vakuumkraft, einer magnetischen Kraft, einer mechanischen Kraft, einer körperlichen Halterung oder einer Schicht aus einem klebenden Film zwischen dem Futter und dem ersten Substrat.
  33. Verfahren nach Anspruch 31, bei dem das Futter während der Trennung von dem zweiten Substrat wegbewegt wird.
  34. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das Trennen unter Verwendung eines flexiblen Futters durchgeführt wird, das eine Peripherie hat, wobei das zweite Substrat an dem flexiblen Futter angebracht ist, wobei die Kraft nur auf einen Bereich der Peripherie des flexiblen Futters aufgebracht wird, wodurch der entsprechende Bereich der Peripherie des zweiten Substrats in einer Abziehbewegung weg von dem Stapel angehoben wird.
  35. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das Trennen unter Verwendung eines Klebefilms durchgeführt wird, das eine Peripherie hat, wobei das zweite Substrat an dem Klebefilm befestigt ist, wobei die Kraft nur auf einen Bereich der Peripherie des Klebefilms aufgebracht wird, wodurch der entsprechende Bereich der Peripherie des zweiten Substrats in einer Abziehbewegung weg von dem Stapel angehoben wird.
  36. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Stapel eine temporäre Waferbondingstruktur ist, die durch ein Verfahren gebildet ist, das umfasst: Bereitstellen des ersten Substrats (12), das eine Vorderseitenoberfläche (14) und eine Rückseitenoberfläche (16) hat; Ausbilden einer Bondingschicht (40) auf der Vorderseitenoberfläche des ersten Substrats, wobei die Bondingschicht aus einem Material gebildet ist, das Monomere, Oligomere oder Polymere umfasst, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die Epoxide, Acryle, Silikone, Styrole, Vinylhalogenide, Vinylester, Polyamide, Polyimide, Polysulfone, Polyethersulfone, Cycloolefine, Polyolefinkautschuke und Polyurethane enthält; Bereitstellen des zweiten Substrats (22), das eine Vorderseitenoberfläche (24) und eine Rückseitenoberfläche (26) hat, wobei die Vorderseitenoberfläche (24) eine oberflächenmodifizierte Region, eine nichtmodifizierte Region und eine optionale Maske benachbart zu der nichtmodifizierte Region aufweist; und Kontaktieren der Vorderseitenoberfläche (24) des zweiten Substrats (22) mit der Bondingschicht (40) auf dem ersten Substrat (12), um dadurch die temporäre Bondingstruktur zu bilden, wobei die Bondingschicht und die oberflächenmodifizierte Region des zweiten Substrats zwischen sich eine Kopplung mit einer Bondingfestigkeit haben, die geringer ist als die Bondingfestigkeit der Kopplung zwischen der nichtmodifizierten Region und der Bondingschicht.
  37. Verfahren nach Anspruch 36, bei dem die oberflächenmodifizierte Region ein Muster aufweist.
  38. Verfahren nach Anspruch 37, bei dem das Muster aus der Gruppe ausgewählt ist, die Gitter, Linien und Formen enthält.
  39. Verfahren nach Anspruch 36, bei dem die Vorderseitenoberfläche eine periphere Region und eine zentrale Region aufweist, wobei die zentrale Region die oberflächenmodifizierte Region enthält, wobei sich die Maske benachbart zu der peripheren Region befindet.
  40. Verfahren nach Anspruch 39, bei dem die oberflächenmodifizierte Region ein Muster aufweist.
  41. Verfahren nach Anspruch 39, bei dem das Bereitstellen des zweiten Substrats umfasst: Ausbilden einer Maske auf der peripheren Region; Aufbringen einer oberflächenmodifizierenden Zusammensetzung in der zentralen Region, was zu der oberflächenmodifizierten zentralen Region führt; und optionales Entfernen der Maske, um dadurch die periphere Region freizulegen.
  42. Verfahren nach Anspruch 36, bei dem die Maske vorhanden ist und die Bondingschicht mit der Maske gebonded wird.
  43. Verfahren nach Anspruch 36, bei dem das Kontaktieren unter Hitze und Druck durchgeführt wird, wobei die Maske in die Bondingschicht zurückfließt, um eine gleichmäßige Bondingschicht zu erzeugen.
  44. Verfahren nach Anspruch 36, bei dem die Maske nicht vorhanden ist und die Bondingschicht mit der nichtmodifizierten Region des zweiten Substrats gebonded wird.
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