DE102017103212B4 - Halbleiterstruktur-Bondungsvorrichtung und zugehörige Techniken - Google Patents

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Abstract

Halbleiterstruktur-Bondungsvorrichtung (10), umfassend:eine untere Blockanordnung (22), die eine erste Fläche umfasst, die dafür ausgebildet ist, mindestens einen Halbleiterwafer darauf abzulegen;eine obere Blockanordnung (20), die eine zweite Fläche umfasst, die dafür ausgebildet ist, unter Anlegung von Bondungsdruck an den mindestens einen Halbleiterwafer mit der ersten Fläche in Kontakt gebracht zu werden; undein Nivellierungseinstellsystem, das dafür ausgebildet ist, eine Nivellierungseinstellung der oberen Blockanordnung (20) mit Bezug auf die untere Blockanordnung (22) vorzunehmen, wobei das Nivellierungseinstellsystem Folgendes umfasst:einen ersten Gewindepfosten (2101);einen ersten Differenzgewinde-Einstellbund (2102), der den ersten Gewindepfosten (2101) umgibt;eine erste Nivellierhülse (2110), die den ersten Differenzgewinde-Einstellbund (2102) umgibt;einen zweiten Gewindepfosten (2101);einen zweiten Differenzgewinde-Einstellbund (2102), der den zweiten Gewindepfosten (2101) umgibt; undeine zweite Nivellierhülse (2110), die den zweiten Differenzgewinde-Einstellbund (2102) umgibt.

Description

  • GEBIET DER OFFENBARUNG
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Halbleiterbonden und betrifft insbesondere eine vereinfachte, mit hoher Kraft arbeitende Halbleiter-Bondungsvorrichtung und ein zugehöriges Verfahren.
  • HINTERGRUND
  • Diese Offenbarung betrifft Verbesserungen an Verfahren und Vorrichtungen, die in dem US-Patent US 7 948 034 B2 desselben Inhabers beschrieben sind.
  • Die Verbraucher verlangen immer billigere elektrische und elektronische Geräte. Einen großen Teil der Kosten für die Herstellung von Konsumelektrik und -elektronik machen die Kosten der Halbleiterbauelemente aus, die genau jene Merkmale bereitstellen, weshalb elektronische Geräte bei den Verbrauchern so begehrt sind. Die Hersteller der Halbleiterbauelemente suchen deshalb unablässig nach Wegen zur Senkung der Herstellungskosten der Halbleiter. Ein signifikanter Faktor bei der Bestimmung der Stückkosten für Halbleiterbauelemente sind Defekte, die in einer bestimmten Produktionspartie auftreten können. Es versteht sich, dass der Verlust von Halbleiterbauelementen durch Defekte einen finanziellen Verlust für die Hersteller bedeutet, der im Allgemeinen dadurch wettgemacht werden kann, dass man den Stückpreis erhöht. Ein Bereich, wo Defekte in der Fertigung von Halbleiterbauelementen entstehen können, ist die Wafer- oder Substratbondung. Bei der Waferbondung werden Wärme, Kraft und mitunter Spannung an einen Stapel aus zwei oder mehr aufeinander ausgerichteten Wafern in einer kontrollierten Atmosphäre angelegt. Das Ziel jeder Waferbondung ist die Bildung von Bondungen von hoher Integrität gleichmäßig auf der gesamten Waferfläche ohne Beeinträchtigung der Ausrichtung der Wafer aufeinander. Eine verbesserte Bondungsintegrität ist durch Erzeugen höherer Grenzflächendrücke erreicht worden. Für verbesserte Bondungsergebnisse kann der Grenzflächendruck recht hoch sein, und folglich ist es erwünscht, dass erhebliche Kraft an die zu bondenden Wafer angelegt wird: zum Beispiel 100 kN an einen 200 mm-Durchmesser-Wafer oder 225 kN an einen 300 mm-Durchmesser-Wafer. Allerdings ermöglichen die hohen Kräfte nicht nur das Bonden, sondern sind auch die Ursache für ein Verbiegen und Verziehen herkömmlicher Bondungswerkzeuge, mit denen die Kräfte angelegt werden, was eine schlechte Gleichmäßigkeit des Grenzflächendrucks, schwankende Bondqualität, Waferverschiebung und ein Wölben nach dem Bonden zur Folge hat, so dass die Verbesserungen, die man sich durch die Verwendung hoher Bondungskräfte erhofft hat, wieder verloren gehen. In herkömmlichen Systemen kann die Druckungleichmäßigkeit über die Bondungsgrenzfläche hinweg fast 50 % betragen.
  • Dementsprechend wäre es wünschenswert, eine Bondungsvorrichtung bereitzustellen, die einen gleichmäßigen Druck über die gesamte Bondungsgrenzfläche hinweg anlegen könnte. Es wäre ebenso wünschenswert, über eine vereinfachte, kostengünstigere Vorrichtung zu verfügen, als bis heute erhältlich ist, sowie eine Vorrichtung, die einfacher einzurichten und zu verwenden ist als die Lösungen des Standes der Technik.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Der Gegenstand dieser Anmeldung kann in einigen Fällen in gegenseitiger Beziehung stehende Produkte, alternative Lösungen für ein bestimmtes Problem und/oder mehrere verschiedene Verwendungen eines einzelnen Systems oder Erzeugnisses umfassen.
  • Eine beispielhafte Ausführungsform stellt eine Halbleiterstruktur-Bondungsvorrichtung bereit, die Folgendes umfasst: eine untere Blockanordnung, die eine erste Fläche umfasst, die dafür ausgebildet ist, mindestens einen Halbleiterwafer darauf abzulegen; eine obere Blockanordnung, die eine zweite Fläche umfasst, die dafür ausgebildet ist, unter Anlegung von Bondungsdruck an den mindestens einen Halbleiterwafer mit der ersten Fläche in Kontakt gebracht zu werden, und ein Nivellierungseinstellsystem, das dafür ausgebildet ist, eine Nivellierungseinstellung der oberen Blockanordnung mit Bezug auf die untere Blockanordnung vorzunehmen. Das Nivellierungseinstellsystem umfasst: einen ersten Gewindepfosten; einen ersten Differenzgewinde-Einstellbund, der den ersten Gewindepfosten umgibt; eine erste Nivellierhülse, die den ersten Differenzgewinde-Einstellbund umgibt; einen zweiten Gewindepfosten; einen zweiten Differenzgewinde-Einstellbund, der den zweiten Gewindepfosten umgibt, und eine zweite Nivellierhülse, die den zweiten Differenzgewinde-Einstellbund umgibt. In einigen Fällen ist mindestens einer des ersten Differenzgewinde-Einstellbundes und des zweiten Differenzgewinde-Einstellbundes als ein Mikrometerantriebssystem ausgebildet, das Außengewindegänge einer ersten Steigung aufweist und Innengewindegänge einer zweiten Steigung aufweist, die sich von der ersten Steigung unterscheidet. In einigen solchen Fällen ist die zweite Steigung etwa 0,5 mm kleiner als die erste Steigung. In einigen Fällen ist mindestens einer des ersten Differenzgewinde-Einstellbundes und des zweiten Differenzgewinde-Einstellbundes dafür ausgebildet, eine effektive Steigungsfeinheit von 1,0 mm oder weniger aufzuweisen. In einigen Fällen umfasst mindestens eine der ersten Nivellierhülse und der zweiten Nivellierhülse einen Schulterabschnitt, der dafür ausgebildet ist, ein Befestigungsmittel aufzunehmen, dergestalt, dass die mindestens eine der ersten Nivellierhülse und der zweiten Nivellierhülse daran gehindert ist, während der Nivellierungseinstellung der oberen Blockanordnung mit Bezug auf die untere Blockanordnung sich zu drehen. In einigen Fällen umfasst mindestens eine der ersten Nivellierhülse und der zweiten Nivellierhülse eine Klemme, die integral mit ihr ausgebildet ist und dafür ausgebildet ist, eine radiale Klemmkraft bereitzustellen, die eine z-Achsen-Bewegung reduziert, wenn sie festgezogen wird, nachdem die Nivellierungseinstellung der oberen Blockanordnung mit Bezug auf die untere Blockanordnung vollendet wurde. In einigen Fällen umfasst die Vorrichtung des Weiteren eine Befestigungsplatte, die mit dem ersten Gewindepfosten und dem zweiten Gewindepfosten wirkgekoppelt ist und die dafür ausgebildet ist, eine Last von der oberen Blockanordnung zu dem ersten Gewindepfosten und dem zweiten Gewindepfosten zu verteilen, und das Nivellierungseinstellsystem umfasst des Weiteren mehrere Vorbelastungsfedern, die zwischen der Befestigungsplatte und mindestens einer des ersten Gewindepfostens und des zweiten Gewindepfostens angeordnet sind. In einigen solchen Fällen ist mindestens eine der mehreren Vorbelastungsfedern eine Teller- oder Konusscheibenfeder. In einigen anderen solchen Fällen sind die mehreren Vorbelastungsfedern dafür ausgebildet, eine Vorbelastungskraft von mindestens 5 kN und/oder einen Einstellbereich von etwa ± 2 mm bereitzustellen. In einigen Fällen umfasst das Nivellierungseinstellsystem des Weiteren einen oberen Abstandshalter-Endanschlag, der über mindestens einer des ersten Gewindepfostens und des zweiten Gewindepfostens angeordnet ist, innerhalb eines entsprechenden mindestens einen des ersten Differenzgewinde-Einstellbundes und des zweiten Differenzgewinde-Einstellbundes und dafür ausgebildet ist, ein Befestigungsmittel aufzunehmen, dergestalt, dass das Befestigungsmittel physisch mit dem mindestens einen des ersten Gewindepfostens und des zweiten Gewindepfostens gekoppelt ist. In einigen Fällen umfasst das Nivellierungseinstellsystem des Weiteren einen dritten Gewindepfosten, der als eine nicht-einstellbare kardanische Befestigung ausgebildet ist. In einigen Fällen umfasst das Nivellierungseinstellsystem des Weiteren einen dritten Gewindepfosten und eine Kraftmessdose, durch die der dritte Gewindepfosten eingefügt wird. In einigen solchen Fällen umfasst die Vorrichtung des Weiteren eine Befestigungsplatte, die mit dem ersten Gewindepfosten und dem zweiten Gewindepfosten wirkgekoppelt ist und dafür ausgebildet ist, eine Last von der oberen Blockanordnung zu dem ersten Gewindepfosten und dem zweiten Gewindepfosten zu verteilen, und das Nivellierungseinstellsystem umfasst des Weiteren eine kardanische Buchse, die zwischen der Kraftmessdose und der Befestigungsplatte angeordnet ist und durch die der dritte Gewindepfosten eingefügt wird. In einigen anderen solchen Fällen umfasst das Nivellierungseinstellsystem des Weiteren eine Kappe, die über dem dritten Gewindepfosten angeordnet ist und dafür ausgebildet ist, ein Befestigungsmittel aufzunehmen, dergestalt, dass das Befestigungsmittel physisch mit dem dritten Gewindepfosten gekoppelt ist.
  • In einigen Fällen umfasst die obere Blockanordnung des Weiteren ein Spannfutter, das dafür ausgebildet ist, die zweite Fläche bereitzustellen, die dafür ausgebildet ist, unter Anlegung von Bondungsdruck an den mindestens einen Halbleiterwafer mit der ersten Fläche in Kontakt gebracht zu werden, und eine Reaktionsplatte, die über dem Spannfutter angeordnet und dafür ausgebildet ist, eine Verformung der oberen Blockanordnung zu reduzieren, wobei die Reaktionsplatte ein monolithisches Plattenelement und mehrere konzentrische Nuten umfasst, die in dem monolithischen Plattenelement definiert und dafür ausgebildet sind, eine entsprechende Mehrzahl von Dichtungen aufzunehmen, und die Vorrichtung des Weiteren mehrere Ports umfasst, die dafür ausgebildet sind, druckbeaufschlagtes Gas zu mehreren Regionen der Reaktionsplatte zu leiten. In einigen solchen Fällen umfassen die mehreren konzentrischen Nuten der Reaktionsplatte: eine erste Nut; eine zweite Nut, die konzentrisch außerhalb der ersten Nut liegt; eine dritte Nut, die konzentrisch außerhalb der zweiten Nut liegt, und eine vierte Nut, die konzentrisch außerhalb der dritten Nut liegt, und die mehreren Ports sind dafür ausgebildet, druckbeaufschlagtes Gas zu den mehreren Regionen der Reaktionsplatte dergestalt zu leiten, dass: beim Bonden von 4 Zoll-Halbleiterwafern druckbeaufschlagtes Gas zu einer ersten Region geleitet wird, die zwischen der ersten Nut und der zweiten Nut definiert ist; beim Bonden von 6 Zoll-Halbleiterwafern druckbeaufschlagtes Gas zu der ersten Region und einer zweiten Region geleitet wird, die zwischen der zweiten Nut und der dritten Nut definiert ist, und beim Bonden von 8 Zoll-Halbleiterwafern druckbeaufschlagtes Gas zu der ersten Region, der zweiten Region und einer dritten Region geleitet wird, die zwischen der dritten Nut und der vierten Nut definiert ist. In einigen anderen solchen Fällen ist in der Reaktionsplatte ein Ausschnitt definiert, der dafür ausgebildet ist, an dieser Stelle ein Durchbiegen der Reaktionsplatte zu gestatten.
  • In einigen Fällen umfasst die obere Blockanordnung des Weiteren eine Wärmeisolierplatte, die zwischen der Reaktionsplatte und dem Spannfutter angeordnet ist. In einigen solchen Fällen umfasst die Wärmeisolierplatte mehrere keilförmige Stücke, die physisch voneinander getrennt sind und dafür ausgebildet sind, sich mit Bezug aufeinander zu bewegen. In einigen solchen Fällen sind die mehreren keilförmigen Stücke dafür ausgebildet, in einer kreisförmigen Weise angeordnet zu werden, wobei die Scheitelpunkte zu einer gemeinsamen Mitte hin weisen. In einigen anderen solchen Fällen umfasst mindestens eines der keilförmigen Stücke mehrere erhöhte Vorsprünge, die sich von seiner Oberfläche erstrecken, wobei die erhöhten Vorsprünge um die Oberfläche herum voneinander beabstandet sind. In einigen anderen solchen Fällen bildet mindestens eines der keilförmigen Stücke ein monolithisches Element. In einigen anderen solchen Fällen bildet mindestens eines der keilförmigen Stücke ein polylithisches Element, das Folgendes umfasst: einen unteren Plattenabschnitt, und einen oberen Plattenabschnitt, der dafür ausgebildet ist, über dem unteren Plattenabschnitt angeordnet und mit diesem wirkgekoppelt zu werden, dergestalt, dass ein Vakuum in einem Hohlraum aufrecht erhalten werden kann, der zwischen dem unteren Plattenabschnitt und dem oberen Plattenabschnitt definiert ist. In einigen solchen Fällen umfasst der untere Plattenabschnitt mehrere erhöhte Vorsprünge, die an seiner Innenfläche angeordnet sind und sich in Richtung des oberen Plattenabschnitts innerhalb des Hohlraums erstrecken, der zwischen dem unteren Plattenabschnitt und dem oberen Plattenabschnitt definiert ist, wobei die erhöhten Vorsprünge um die Innenfläche des unteren Plattenabschnitts herum voneinander beabstandet sind. In einigen Fällen umfasst die Wärmeisolierplatte: einen unteren Plattenabschnitt, und einen oberen Plattenabschnitt, der dafür ausgebildet ist, über dem unteren Plattenabschnitt angeordnet und mit diesem wirkgekoppelt zu werden, dergestalt, dass ein Vakuum in einem Hohlraum aufrecht erhalten werden kann, der zwischen dem unteren Plattenabschnitt und dem oberen Plattenabschnitt definiert ist. In einigen solchen Fällen umfasst der untere Plattenabschnitt mehrere erhöhte Vorsprünge, die an seiner Innenfläche angeordnet sind und sich in Richtung des oberen Plattenabschnitts innerhalb des Hohlraums erstrecken, der zwischen dem unteren Plattenabschnitt und dem oberen Plattenabschnitt definiert ist, wobei die erhöhten Vorsprünge um die Innenfläche des unteren Plattenabschnitts herum voneinander beabstandet sind. In einigen anderen solchen Fällen bildet mindestens einer des unteren Plattenabschnitts und des oberen Plattenabschnitts ein monolithisches Element. In einigen Fällen ist die Wärmeisolierplatte dafür ausgebildet, ein nachgebendes Durchbiegen von etwa 50 µm oder weniger zu ermöglichen. In einigen Fällen umfasst das Nivellierungseinstellsystem des Weiteren mindestens eine Kraftmessdose, durch die mindestens einer des ersten Gewindepfostens und des zweiten Gewindepfostens eingefügt wird.
  • Die im vorliegenden Text beschriebenen Merkmale und Vorteile sind nicht allumfassend. Insbesondere erkennt der Durchschnittsfachmann viele weitere Merkmale und Vorteile aus den Zeichnungen, der Beschreibung und den Ansprüchen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Wir wenden uns den Figuren zu, wo gleiche Bezugszeichen in allen Ansichten gleiche Teile bezeichnen:
    • 1 ist ein Schaubild eines Waferbondungssystems des Standes der Technik;
    • 2A ist das Ergebnis einer Finite-Elemente-Analyse, das die Verschiebung entlang der Bondungsgrenzfläche für das Waferbondungssystem des Standes der Technik von 1 anzeigt;
    • 2B ist das Ergebnis einer Finite-Elemente-Analyse, das die Von-Mises-Spannung entlang der Bondungsgrenzfläche für das Waferbondungssystem des Standes der Technik von 1 anzeigt;
    • 3 ist ein Schaubild eines Waferbondungssystems;
    • 4A ist das Ergebnis einer Finite-Elemente-Analyse, das die Verschiebung entlang der Bondungsgrenzfläche für das Waferbondungssystem von 3 anzeigt;
    • 4B ist das Ergebnis einer Finite-Elemente-Analyse, das die Von-Mises-Spannung entlang der Bondungsgrenzfläche für das Waferbondungssystem von 3 anzeigt;
    • 5 ist ein Schaubild einer anderen Ausführungsform eines Waferbondungssystems;
    • 6 ist ein Querschnittsschaubild einer Waferbondungsvorrichtung;
    • 7 ist eine perspektivische Ansicht einer Waferbondungsvorrichtung;
    • 8 ist eine Querschnittsansicht der Waferbondungsvorrichtung von 7;
    • 9A ist eine Querschnittsansicht der Waferbondungsvorrichtung von 8, die eine Wafertransport-Aufspannvorrichtung umfasst;
    • 9B ist eine detaillierte Querschnittsansicht eines Abschnitts der oberen Blockanordnung von 9A;
    • 10 ist eine Querschnittsansicht der Waferbondungsvorrichtung von 9, wobei die Wafer in Kontakt mit den oberen und unteren Blockanordnungen stehen (Näherungsposition);
    • 11 ist eine detaillierte Querschnittsansicht der Waferbondungsvorrichtung von 10;
    • 12 ist eine Querschnittsansicht der Waferbondungsvorrichtung von 8, die Querschnittsansichten der oberen und unteren Anordnungen umfasst;
    • 13 ist eine detaillierte Querschnittsansicht einer Ausführungsform des Ausrichtungssystems in der Waferbondungsvorrichtung von 8;
    • 14A ist eine detaillierte Querschnittsansicht der Wärmeisolierschicht in der Bondungsvorrichtung von 8;
    • 14B ist ein Querschnittsschaubild von Bereich A von 14A;
    • 15 ist eine detaillierte Querschnittsansicht eines Abschnitts der oberen Blockanordnung von 8;
    • 16 ist eine perspektivische Ansicht der Waferträger-Aufspannvorrichtung und des Waferbeschickungssystems;
    • 17A ist eine perspektivische Draufsicht der Waferträger-Aufspannvorrichtung;
    • 17B ist eine detaillierte Ansicht der Waferabstandshalter und des Klemmsystems in der Waferträger-Aufspannvorrichtung von 17A;
    • 18 ist ein Schaubild des Wafer-Heizvorrichtungssystems;
    • 19 ist eine auseinandergezogene Ansicht der Wafer-Heizvorrichtungs- und Wärmeisoliersysteme; und
    • 20 ist eine Querschnittsansicht einer anderen Ausführungsform des Waferbondungssystems;
    • 21 ist eine Querschnittsansicht eines Nivelliermechanismus;
    • 22 ist eine perspektivische Ansicht des Nivelliermechanismus von 21;
    • 23 ist eine Querschnittsansicht einer kardanischen Montagehalterung zur Verwendung mit dem Nivelliermechanismus;
    • 24 ist eine Querschnittsansicht einer Reaktionsplatte und zugehöriger Komponenten;
    • 25 ist eine geöffnete perspektivische Ansicht der Reaktionsplatte von 24;
    • 26 ist eine perspektivische Ansicht einer Wärmeisolierplatte, die aus keilförmigen Sektionen besteht;
    • 27 ist eine perspektivische Ansicht einer aus zwei Abschnitten bestehenden Wärmeisolierplatte.
  • Diese und weitere Merkmale der vorliegenden Ausführungsformen lassen sich anhand des Studiums der folgenden detaillierten Beschreibung - in Verbindung mit den im vorliegenden Text beschriebenen Figuren - besser verstehen. In den Zeichnungen kann jede identische oder nahezu identische Komponente, die in verschiedenen Figuren veranschaulicht ist, durch das gleiche Bezugszeichen repräsentiert werden. Zur besseren Übersichtlichkeit ist nicht unbedingt jede Komponente in jeder Zeichnung mit einem Bezugszeichen versehen. Darüber hinaus ist, wie im Licht dieser Offenbarung zu erkennen sein wird, weder beabsichtigt, dass die beiliegenden Zeichnungen maßstabsgetreu sein sollen, noch dass die beschriebenen Ausführungsformen auf die konkret gezeigten Ausgestaltungen beschränkt sein sollen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Wir wenden uns 1 zu. In einem Waferbondungssystems 300 des Standes der Technik wird ein erster Wafer 310, der eine Bondschicht 312 an einer ersten Fläche 310a aufweist, mit einem zweiten Wafer 320, der eine Bondschicht 322 an einer ersten Fläche 320a aufweist, so in Kontakt gebracht, dass die zwei Bondschichten 312 und 322 einander gegenüberliegen. Der Waferbondungsprozess umfasst das Zusammendrücken der zwei Wafer durch Anlegen einer Kraft 350 an eine zweite Fläche 310b des ersten Wafers 310. Die Kraft 350 wird gewöhnlich mit einem Kolbenmechanismus an die Mitte des Waferstapels 302 angelegt, wie in 1 gezeigt. In anderen Ausführungsformen kann die Kraft 350 am Umfangsrand des Waferstapels 302 angelegt werden, oder eine zweite Kraft kann gleichzeitig mit der Kraft 350 an die zweite Fläche 320b des zweiten Wafers 320 angelegt werden. Eine Finite-Elemente-Analyse (FEA) der Verschiebung entlang der Bondungsgrenzfläche 305 ist in 2A gezeigt. Wir beobachten die Entstehung einer „heißen Druckpunktes“ direkt unter dem mittigen Bereich 301, wo die Kraft 350 angelegt wird. Ein erster sphärischer Bereich 302 direkt unter dem mittigen Bereich 301 weist eine Verschiebung in der Größenordnung von 30 µm auf. Direkt unter dem Bereich 302 liegt ein weiterer sphärischer Bereich 303, wo die Verschiebung in der Größenordnung von 2-3 µm liegt, und direkt unter dem Bereich 303 liegt der Bereich 304, wo die Verschiebung im Bereich von 1 µm liegt. Die sphärische Front des „heißen Druckpunktes“ breitet sich nach unten zur Bondungsgrenzfläche 305 aus und bewirkt, dass die mittige Region 306 stärker gewölbt ist als die Randregionen 307. Wie oben erwähnt, kann die Druckungleichmäßigkeit an der Bondungsgrenzfläche bis zu 50 % erreichen. Die Von-Mises-Spannungen der FEA sind in 2B gezeigt. Wir beobachten erneut eine sphärische Spannungsfront, die sich nach unten zur Bondungsgrenzfläche 305 hin ausbreitet, wo sie Spannungsschwankungen zwischen der mittigen Region 306 und der Umfangsregion 307 bewirkt. Die Bereiche 308, 309 und 311 haben mechanischen Spannungen in der Größenordnung von 100 Factor of Safety (FOS), 50 FOS bzw. 10 FOS.
  • Wir wenden uns 3 zu. In einem Waferbondungssystem 400 wird ein erster Wafer 410, der eine erste Fläche 410a aufweist, mit einem zweiten Wafer 420, der eine erste Fläche 420a aufweist, so in Kontakt gebracht, dass die zwei Flächen 410a, 420a einander gegenüberliegen. Der Waferbondungsprozess umfasst das Zusammendrücken der zwei Wafer durch Anlegen einer „Kraftsäule“ 450 an eine zweite Fläche 410b des ersten Wafers 410. Die Kraftsäule 450 umfasst mehrere Kräfte, die in einer Säule angeordnet sind, deren Basis so bemessen ist, dass sie die gesamte zweite Fläche 410b des ersten Halbleiterwafers 410 bedeckt, und ist dafür ausgebildet, einen gleichmäßigen Druck an die gesamte zweite Fläche 410b des ersten Wafers 410 anzulegen und einen gleichmäßigen Druck zu der Bondungsgrenzfläche 405 des Waferstapels 302 zu übertragen. In anderen Ausführungsformen kann eine zweite Kraftsäule 460 gleichzeitig mit der Kraftsäule 450 an die zweite Fläche 420b des zweiten Wafers 420 angelegt werden, wie in 5 gezeigt. In einem Beispiel ist die Kraftsäule 450 eine Säule von druckbeaufschlagtem Gas und legt Kräfte in der Größenordnung von 100 kN an einen 200-mm Wafer an, was einen Druck von ungefähr 32.000 mbar erzeugt. Eine Finite-Elemente-Analyse der Verschiebung und der Von-Mises-Spannungen entlang der Bondungsgrenzfläche 405 sind in 4A bzw. 4B gezeigt. Wir beobachten Schichten 401, 402 und 403 mit gleichmäßiger Verschiebung und einer Region 404 mit gleichmäßiger Spannung ohne Schwankungen zwischen der mittigen Region 406 und der Umfangsregion 407 der Bondungsgrenzfläche 405. In einigen Ausführungsformen haben die Flächen 410a, 420a Bondschichten 412 bzw. 422, die dafür ausgebildet sind, eine bestimmte Art von Bondung zwischen den zwei Waferflächen 410a, 420a zu unterstützen. Die Bondschichten 412, 422 können Gitterstrukturen, Metall, Glas, Halbleiterstrukturen, Isolatoren, integrierte Bauelemente, Klebstoffe oder sonstige bondungsfördernde Materialien oder Strukturen sein. Das System ist dafür ausgelegt, jeden gewünschten Substratbondungsprozess auszuführen, einschließlich anodischer, eutektischer und adhäsiver Bondungsprozesse, Fusions-, Glasfritt- und Wärmezersetzungs-Bondungsprozesse für Wafer-zu-Wafer-Bondung. Dementsprechend besitzt das System geeignete Steuerungen zum Steuern der Bondungsbetriebsparameter, einschließlich Substrattemperatur, Bondungsdruck und Kammeratmosphäre usw. In anderen Ausführungsformen wird das System 400 dafür verwendet, jede Art von Halbleiterstrukturen oder Materialien zu bonden, wie zum Beispiel Flachbildschirmstrukturen, IC-Bausteine, 3D-Integration von Mikroelektronik, Verkapselung von Mikroelektromechanischen Systemen (MEMS) usw.
  • Wir wenden uns den 6-14 zu. Die Bondungsvorrichtung 10 arbeitet allgemein als eine Klemme. Die Vorrichtung 10 hat gegenüberliegende Klemmblöcke - in dieser Ausführungsform eine obere Blockanordnung 20 und eine gegenüberliegende untere Blockanordnung 22. Die untere Blockanordnung 22 hat ein Spannfutter 21 zum Halten oder sonstigen Aufnehmen eines oder mehreren Wafer. Ein oder mehrere Stapel 430 eines oder mehrerer Wafer 410, 420, in 3 gezeigt, werden auf dem Waferspannfutter 21 der Vorrichtung 10 positioniert. Die untere Blockanordnung 22 wird durch die untere Platte 56 gestützt, und die obere Blockanordnung 20 wird durch die obere Platte 53 gestützt. Die untere Platte 56 und die obere Platte 53 sind beweglich mit Pfosten 42 verbunden. In dieser Ausführungsform bewegen sich die untere Blockanordnung 22 und die untere Platte 56 aufwärts entlang der Z-Richtung, um den oder die Wafer/Stapel im Wesentlichen in Kontakt mit, oder nahe an einen Kontakt mit, Auflageflächen 23S der oberen Blockanordnung 20 zu bringen. Wenn diese Näherungsposition erreicht ist, so werden die Positionen der unteren Platte 56, der oberen Platte 53 und der oberen Blockanordnung 20 fixiert, und die untere Blockanordnung 22 wird aufwärts entlang der Richtung des Pfeils P1 in Richtung der oberen Blockanordnung 20 bewegt, um einen gewünschten hohen Bondungsdruck an den Waferstapel 430 anzulegen. In einem Beispiel beträgt der gewünschte Bondungsdruck 100 kN auf einen 200-mm Waferstapel oder 225 kN auf einen 300-mm Waferstapel. In alternativen Ausführungsformen werden der obere Block 20 oder sowohl der obere Block 20 als auch der untere Block 22 zusammen bewegt, um den gewünschten hohen Bondungsdruck an den oder die Waferstapel 430 anzulegen und eine Bondung zwischen den sich berührenden Waferflächen 410a, 420a herbeizuführen. Die obere Blockanordnung 20 und die untere Blockanordnung 22 legen den hohen Bondungsdruck im Wesentlichen gleichmäßig (d. h. ohne signifikante Druckvarianz) über den Bereich der Waferbondungsgrenzfläche 405 hinweg an, und im Wesentlichen, ohne Scherkräfte an der Grenzfläche zu erzeugen (zum Beispiel im Wesentlichen null Scherkräfte an der Bondungsgrenzfläche der Wafer), wie unten noch ausführlicher beschrieben wird. Die Lastverteilung innerhalb der oberen Blockanordnung 20 und der unteren Blockanordnung 22, die zu dem oben angesprochenen Bondungsdruck führt, ist eine im Wesentlichen gerade Säulenbelastung in jeweiligen lasttragenden Elementen, die im Wesentlichen Lastaußermittigkeiten und Biegemomente beseitigt, die ein Durchbiegen in der oberen und unteren Blockanordnung 20, 22 sowie in anderen Abschnitten der Vorrichtung 10 verursacht. Gleichmäßigkeit und Wiederholbarkeit der Belastung werden durch ein Tragskelett 16 der Vorrichtung 10 gewährleistet, das im Wesentlichen das Kammergehäuse 12 als lasttragendes Element der Vorrichtung 10 umgeht. Die Gleichmäßigkeit der Belastung an der Bondungsgrenzfläche 405 wird außerdem durch die Vorrichtung 10 mittels eines Nivelliersystems 82 gewährleistet, das die Waferauflageflächen 23S, 21S der oberen Blockanordnung 20 bzw. der unteren Blockanordnung 22 im Wesentlichen eben oder parallel zueinander hält und sicherstellt, dass die Bondungskräfte durch die untere und die obere Blockanordnung 22, 20 im Wesentlichen senkrecht an die Bondungsgrenzfläche 405 des Waferstapels 430 angelegt werden. Des Weiteren umfassen die obere Blockanordnung 20 und die untere Blockanordnung 22 in den beispielhaften Ausführungsformen, wie weiter unten noch beschrieben wird, Heizvorrichtungen 30 bzw. 32 (oder Wärmezyklusvorrichtungen für das zyklische Erwärmen der Waferkontaktflächen 23S, 21S), die von der Vorrichtungsstruktur durch lasttragende Vakuumisoliersysteme 70 bzw. 72 thermisch isoliert sind. Die lasttragenden Vakuumisoliersysteme 70, 72 sorgen für ein optimales Wärmeisolierverhalten, während unerwünschte thermische Lecks beseitigt werden und die thermische Masse (und folglich Trägheit) des thermischen Zyklen unterliegenden Abschnitts reduziert wird (mit gleichzeitig schnelleren Zykluszeiten), wobei trotzdem immer noch die gewünschten Lasten (zum Beispiel Bondungsdrucklasten in der beispielhaften Ausführungsform) bewältigt werden können. In einigen Ausführungsformen können die Heizvorrichtungen 30, 32 mehr als eine Heizzone haben. In 18 umfasst die Heizvorrichtung 32 eine erste Heizzone 32B, die dafür ausgebildet ist, die mittige Region des Wafers zu erwärmen, und eine zweite Heizzone 32A, die dafür ausgebildet ist, den Umfangrand des Wafers zu erwärmen. Die Heizzone 32A wird unabhängig von der Heizzone 32B gesteuert, um thermische Gleichmäßigkeit in der gesamten Bondungsgrenzfläche 405 zu erreichen und thermische Verluste an den Rändern des Waferstapels zu mindern.
  • Die Vorrichtung 10 ist in der Lage, Wafer oder Substrate 410, 420 jeder geeigneten Art und Größe zu bonden. Zum Beispiel können die Substrate 410, 420 100 mm, 200 mm oder 300 mm durchmessende Halbleitersubstrate sein. In der in 3 gezeigten Ausführungsform sind die Wafer 410, 420 im Wesentlichen einander ähnlich. In alternativen Ausführungsformen kann der Stapel 430 Wafer verschiedener Arten oder Größen umfassen. Der in 3 gezeigte Stapel 430 hat zu beispielhaften Zwecken zwei Wafer 410, 420. Es leuchtet ein, dass der Stapel 430 jede gewünschte Anzahl von Wafern umfassen kann, die miteinander verbondet sind. Die gebondeten Flächen 410a, 410b können Bondschichten 412 bzw. 422 umfassen, und die Bondschicht 412, 422 kann Metall, Gitterstrukturen, Halbleiterstrukturen, Isolatoren, Klebstoffe, Glas usw. sein.
  • Wir bleiben bei den 6-14 und gehen tiefer ins Detail. Die Bondungsvorrichtung 10 umfasst eine Kammer 12. Die Kammer 12 ist geschlossen oder ist auf sonstige Weise dafür ausgebildet, eine kontrollierte Atmosphäre zu haben, wie zum Beispiel ein Inertgas, oder wird mit einem in 7 gezeigten Turbopumpensystem 161 in einem Vakuumzustand gehalten. In alternativen Ausführungsformen braucht die Vorrichtung keine Kammer zu umfassen. Wie in 7 zu sehen, umfasst die Kammer 12 einen Zugangsport 14. Der Zugangsport 14 ist so bemessen, dass ein Einbringen und Herausnehmen einer Träger-Aufspannvorrichtung 24 in die bzw. aus der in 9 gezeigten Kammer 12 möglich ist. In einigen Ausführungsformen steht eine Vorbelastungskammer 15 über den Port 14 in Strömungsverbindung mit der Kammer 12, wie in 7 gezeigt. Der Port 14 hat eine (nicht gezeigte) Tür zum Schließen des Ports, wenn dies gewünscht wird. Zum Einbringen des Waferstapels in die evakuierte Kammer 12 wird zuerst die Porttür geschlossen, und die Träger-Aufspannvorrichtung 24 mit den zuvor aufeinander ausgerichteten Wafern 410, 420 wird in der Vorbelastungskammer 15 angeordnet. Als Nächstes wird die Vorbelastungskammer 15 evakuiert, und dann wird die Porttür geöffnet, und die Träger-Aufspannvorrichtung 24 mit den zuvor aufeinander ausgerichteten Wafern 410, 420 wird in der Kammer 12 angeordnet. Die Porttür wird dann erneut geschlossen. Zum Entnehmen der gebondeten Wafer wird die Vorbelastungskammer 15 evakuiert, und dann wird die Porttür geöffnet, und die Träger-Aufspannvorrichtung 24 mit dem gebondeten Wafer 410, 420 wird der Kammer 12 entnommen, und die Porttür wird erneut geschlossen. Die Träger-Aufspannvorrichtung 24 hält den zuvor aufeinander ausgerichteten Waferstapel 430. Eine Transportvorrichtung 480, wie zum Beispiel ein Transportarm oder eine Transportrutsche, die automatisiert ist oder ansonsten manuell bedient wird, ist dafür verwendet, die Träger-Aufspannvorrichtung 24 in die und aus der Kammer 12 zu bewegen, wie in 16 gezeigt. In einer Ausführungsform, die in 17A gezeigt ist, ist die Träger-Aufspannvorrichtung 24 ein kreisförmiger Ring 280 und umfasst drei Abstandshalter- und Klemmanordnungen 282a, 282b, 282c, die symmetrisch entlang des Umfangs des kreisförmigen Rings in Abständen von etwa 120° angeordnet sind. Jede Abstandshalter- und Klemmanordnung 282a, 282b, 282c umfasst einen Abstandshalter 284 und eine Klemme 286. Der Abstandshalter 284 ist dafür ausgebildet, die ersten und zweiten Wafer 410, 420 auf eine zuvor festgelegte Distanz einzustellen. Es können Abstandshalter mit verschiedenen Dicken ausgewählt werden, um verschiedene Abstände zwischen den zwei Wafern einzustellen. Nachdem die Abstandshalter zwischen die Wafer eingefügt wurden, wird die Klemme festgeklemmt, um die Position der zwei Wafer zu arretieren. Jeder Abstandshalter 284 und jede Klemme 286 wird unabhängig durch lineare Aktuatoren 283 bzw. 285 aktiviert. Für den Bondungsprozess werden die aufeinander ausgerichteten Wafer 410, 420 in der Träger-Aufspannvorrichtung 24 angeordnet und werden mit Abstandshaltern 284 voneinander beabstandet und dann mit Klemmen 286 festgeklemmt. Die Aufspannvorrichtung mit den festgeklemmten Wafern wird in die Bondungskammer 12 eingebracht, und dann werden die Klemmen nacheinander gelöst, der Abstandshalter wird entfernt, und dann erneut festgeklemmt. Nachdem alle Abstandshalter entfernt wurden, werden die Wafer erneut festgeklemmt, und die zwei Wafer werden mit einem pneumatisch gesteuerten Mittelstift 290 zusammengepflockt, und dann wird die Kraftsäule 460 angelegt, um den Bondungsprozess auszuführen. Die Wafer werden mit einer Kraft zusammengepflockt, die automatisch oder manuell eingestellt werden kann.
  • Wie in 8 gezeigt, wird mindestens einer des oberen Blocks 20 und/oder des unteren Blocks 22 beweglich in der Kammer 12 gehalten. In der in 8 gezeigten Ausführungsform sind der obere Block 20 und der gegenüberliegende untere Block 22 in einer vertikalen Klemmausgestaltung gezeigt. In alternativen Ausführungsformen sind der gegenüberliegende obere Block 20 und der untere Block 22 in jeder anderen gewünschten Klemmausrichtung angeordnet, einschließlich einer horizontalen Klemmausgestaltung. In der beispielhaften Ausführungsform ist die obere Blockanordnung 20 fixiert, und die untere Blockanordnung 22 ist entlang der Richtung beweglich, die durch den Pfeil P1 angedeutet ist, wie in 6 gezeigt. Die untere Blockanordnung 22 wird auch als eine Einheit zusammen mit der unteren Stützplatte 56 entlang der Z-Richtung (in 6 gezeigt) durch einen geeigneten Antrieb 100 bewegt, der hier als ein z-Antrieb 100 bezeichnet wird. In der beispielhaften Ausführungsform hat der untere Block 22 einen beweglichen Abschnitt 22M, der in der Richtung, die durch den Pfeil P1 angegeben ist, unabhängig vom z-Antrieb 100 durch einen geeigneten Aktuator 52 bewegt werden kann, wie unten noch beschrieben wird. In den beispielhaften Ausführungsformen führt der z-Antrieb 100 eine grobe Bewegung der unteren Blockanordnung 22 zusammen mit der Stützplatte 56 aus, und der Aktuator 52 bewegt den beweglichen Abschnitt 22M der unteren Blockanordnung 22 zum Bonden. In alternativen Ausführungsformen bewegt der z-Antrieb 100 die obere Blockanordnung 20 abwärts in einer Richtung, die der angedeuteten Z-Richtung entgegengesetzt ist. Der obere Block 20 und der untere Block 22 haben entsprechende Sitzflächen 23S, 21S. Die obere und die untere Blockanordnung 20, 22 und die Sitzflächen 23S, 21S sind nach Bedarf bemessen, um einen geeigneten Bondungsdruck auf die Waferstapel auszuüben. Wie zuvor angemerkt wurde und unten noch beschrieben wird, haben die Sitzflächen 23S, 21S eine Wärmesteuerung (d. h. sie können erwärmt und/oder gekühlt werden). Die Wärmesteuerung wird durch jede geeignete Wärmesteuereinheit ausgeführt. In einem Beispiel bestehen die Sitzflächen 21S, 23S aus einem zweckmäßig harten Material, wie zum Beispiel Siliziumcarbid (Sic).
  • Wir wenden uns nun auch 7 und 8 zu. Die Kammer 12 umfasst allgemein ein Gehäuse oder eine Umfassung 16, das bzw. die im Wesentlichen geschlossen ist, um eine Isolierung des Kammerinneren von der Außenwelt zu ermöglichen. In der gezeigten beispielhaften Ausführungsform ist das Gehäuse 16 allgemein ringförmig, obgleich in alternativen Ausführungsformen das Gehäuse jede gewünschte Form haben kann. Das Kammergehäuse 16 wird auf einer gewünschten Basis oder Gründungsstruktur 18 durch einen Skelett- oder Stützrahmen 40 gestützt. Die Basisstruktur 18 ist von beliebiger gewünschter Art und Form und ist als eine im Wesentlichen flache Platte 18 gezeigt, die beispielsweise unter der Kammer 12 angeordnet ist. Die Basisstruktur 18 ist im Wesentlichen starr und kann in alternativen Ausführungsformen jede gewünschte Größe, Form und Position relativ zu der Kammer haben. Der Skelettrahmen 40 der Vorrichtung 10 hat im Wesentlichen starre Elemente, die an dem Gehäuse 16 angebracht und mit der Basisstruktur 18 verbunden sind, um das Gehäuse 16 zu tragen. Die Skelettstruktur 40 ist außerdem an den oberen und unteren Blockanordnungen 20, 22 der Vorrichtung 10 so angebracht, dass die Reaktion auf die oberen und unteren Blockanordnungen 20, 22 während des Anlegens der Bondungskräfte auf den Skelettrahmen 40 und nicht das Kammergehäuse 16 verteilt wird. In der beispielhaften Ausführungsform ist der Skelettrahmen 40 im Wesentlichen ein Exoskelettrahmen, der außerhalb der Kammer 16 angeordnet ist. In alternativen Ausführungsformen kann der Skelettrahmen 40 auch ein Endoskelettrahmen sein, der gewünschtenfalls innerhalb der Kammer angeordnet ist. In der beispielhaften Ausführungsform umfasst der Skelettrahmen 40 im Wesentlichen starre Gewindepfosten 42 (zum Zweck der beispielhaften Veranschaulichung sind drei gezeigt, obgleich jede gewünschte Anzahl verwendet werden kann). Die Pfosten 42 sind an einem Ende an der Basisstruktur 18 verankert. Die Pfosten 42 sind im Wesentlichen gleichmäßig um das Gehäuse 16 herum verteilt. Größe und Form der Pfosten 42 werden so gewählt, dass eine gewünschte Steifigkeit erreicht wird. Der Skelettrahmen 40 kann außerdem eine obere Befestigungsplatte 46 umfassen. Wie am besten in 7 zu sehen, ist die Befestigungsplatte 46 durch ein gewünschtes Anbringungsverfahren, wie zum Beispiel Schweißen, Hartlöten oder mechanische Befestigungsmittel, an dem Gehäuse 16 angebracht. In alternativen Ausführungsformen können das Gehäuse 16 und die Befestigungsplatte 46 als ein einstückiges Element ausgebildet sein. Die Befestigungsplatte 46 ist ein im Wesentlichen starres Element. Die Steifigkeit der Platte 46 ist, wenigstens infolge der Reaktionslasten, die durch die Bondungspresse auf sie ausgeübt werden, allgemein an die Steifigkeit des übrigen Skelettrahmens 40, der die Pfosten 42 umfasst, angepasst. In alternativen Ausführungsformen kann die Befestigungsplatte 46, die das Gehäuse 16 und andere Bondungspressenkomponenten im Inneren der Kammer 12 an dem Skelettrahmen befestigt, jede andere gewünschte Form haben. Wie am besten in 8 zu sehen, sind die Pfosten 42 an einem anderen Ende an der Befestigungsplatte 46 angebracht. Die Verbindung 44 zwischen jedem Gewindepfosten 42 und der Befestigungsplatte 46 kann bidirektional, mit der Fähigkeit zur Aufnahme von Axiallasten entlang der Achse der Pfosten 42, sowohl zu der Basisplatte 18 hin als auch von ihr fort sein. Die Verbindung 44 jedes Gewindepfosten ist einstellbar (sowohl nach oben als auch nach unten entlang der Achse der Pfosten), um eine im Wesentlichen gleichmäßige Belastung jedes Gewindepfostens 42 sowohl unter der statischen Last der Kammer- und Vorrichtungskomponenten als auch den statischen und dynamischen Lasten während des Bondungspressens sicherzustellen. In der beispielhaften Ausführungsform ist die Verbindung 44 auf gegenüberliegenden Seiten der Grenzfläche mit der Befestigungsplatte 46 allgemein symmetrisch. Die Verbindung 44 kann Eingriffnahmeelemente 44E (zum Beispiel Gewindearme) umfassen, die den Gewindepfosten 42 in Eingriff nehmen (zum Beispiel durch eine formschlüssige Eingriffnahmefläche oder Festklemmen), und eine Auflagefläche zum Tragen von Lasten von der Befestigungsplatte haben. Die Verbindung 44 kann Lagerelemente umfassen, um eine gleichmäßige Lastverteilung der Befestigungsplatte auf den Auflageflächen der Eingriffnahmeelemente 44E sicherzustellen. In alternativen Ausführungsformen kann die Verbindung zwischen den Pfosten 42 des Skelettrahmens 40 und der Befestigungsplatte 46, die das Kammergehäuse und die Bondungspresse trägt, jede geeignete Ausgestaltung haben. In der beispielhaften Ausführungsform kann die Verbindung 44 vorbelastet werden (zum Beispiel durch Drehmoment ausübende Eingriffnahmeelemente 44E), um unerwünschte Verschiebungen der Pfosten 42 während des Bondungsbetriebes zu vermeiden.
  • Wie am besten in 8 zu sehen, und wie zuvor angemerkt, sind in der beispielhaften Ausführungsform die obere Blockanordnung 20 und die untere Blockanordnung 22 an dem Skelettrahmen 40 angebracht. Die obere Blockanordnung 20 ist an dem Skelettrahmen 40 durch eine Überbrückungsstützstruktur 53 angebracht, wie weiter unten noch beschrieben wird. Die statischen und dynamischen Lasten, einschließlich der Bondungspressenlasten, von der oberen Blockanordnung 20 werden im Wesentlichen vollständig durch die Überbrückungsstruktur 53 getragen und durch die Überbrückungsstruktur 53 über die Befestigungsplatte 46 zu den Pfosten 42 verteilt. Die untere Blockanordnung 22 ist über eine Sitzstruktur 56 an den Pfosten 42 angebracht. In der gezeigten beispielhaften Ausführungsform hat die Sitzstruktur 56 allgemein ein Überbrückungselement 56S und einen Blockstützsitz 56T. In alternativen Ausführungsformen kann die Sitzstruktur, die den unteren Block stützt, jede andere gewünschte Ausgestaltung haben. In der beispielhaften Ausführungsform ist die Überbrückungsstruktur 56S zum Beispiel als eine Platte gezeigt, doch sie kann auch jede andere gewünschte Form haben und ist durch lineare Gleitstücke 43 an den Pfosten 42 angebracht. Daher kann sich in der beispielhaften Ausführungsform die Sitzstruktur 56 - und folglich die untere Blockanordnung 22 - in der Richtung bewegen, die durch den Pfeil z angedeutet ist (z-Richtung). Die Pfosten 42 können als Führungen für die z-Bewegung des unteren Blocks dienen. In der in 8 gezeigten beispielhaften Ausführungsform ist der z-Antrieb 100, der jeder geeignete Antrieb sein kann (zum Beispiel ein elektrischer Linearantrieb, ein pneumatischer Antrieb oder ein hydraulischer Antrieb, um nur einige zu nennen), mit der Überbrückungsstruktur 56S verbunden und in der Lage, die Sitzstruktur 56 und die untere Blockanordnung 22 als eine Einheit in der z-Richtung zu bewegen. Der z-Antrieb 100 kann an der Basisstruktur 18 angebracht sein. Wie in 8 zu sehen, ist der Stützsitz 56T mit der unteren Blockanordnung 22 verbunden. In der beispielhaften Ausführungsform erstreckt sich der Stützsitz 56T allgemein in das Gehäuse 16 hinein. Eine Balgdichtung 16S, zwischen dem Gehäuse 16 (in dem gezeigten Beispiel an einer Schließplatte 16P des Gehäuses angebracht) und dem Stützsitz 56T, isoliert das Kammerinnere und nimmt die z-Bewegung der Sitzstruktur 56 und der unteren Blockanordnung 22 auf. Die in 8 gezeigte Sitzstruktur 56 ist lediglich beispielhaft, und in alternativen Ausführungsformen kann die Struktur jede gewünschte Ausgestaltung haben. In der beispielhaften Ausführungsform hat die Sitzstruktur 56 eine Sitzfläche 58, welche die Unterseite der unteren Blockanordnung 22 in Eingriff nimmt.
  • Wie am besten in 8 zu sehen, umfasst die untere Blockanordnung allgemein ein Spannfutter 21 mit einer Waferstützfläche 21S, einer Heizvorrichtung (oder Wärmezyklusvorrichtung) 32 und einem Flansch 36. Die Heizvorrichtung 32 wird durch den Flansch 36 gestützt. Die Heizvorrichtung 32 ist von dem Flansch 36 durch ein lasttragendes Vakuumisoliersystem 72 thermisch isoliert, wie weiter unten noch beschrieben wird. Der Flansch 36 wird durch einen thermischen Regler (zum Beispiel ein Wasserkühlungssystem) auf einer gewünschten Stabilzustandstemperatur gehalten. Das Spannfutter 21 ist mit der Heizvorrichtung 32 so verbunden, dass die Waferstützfläche 21S und folglich der darauf befindliche Wafer durch die Heizvorrichtung 32 erwärmt werden. Das Spannfutter 21, die Heizvorrichtung 32 und der Flansch 36 bilden den beweglichen Abschnitt 22M der Blockanordnung 22. Der bewegliche Abschnitt 22M ist in Richtung P1 relativ zu einem Basisabschnitt 22B der Blockanordnung 22 beweglich, wie in 9 gezeigt. In der beispielhaften Ausführungsform umfasst die Blockanordnung 22 einen Aktuator 52, der den beweglichen Abschnitt 22M unabhängig von der Bewegung des z-Antriebes betätigt und eine Kraftsäule erzeugt, die im Wesentlichen gleichmäßig über die Sitzfläche 21S der Blockanordnung 22 hinweg verteilt wird. In der beispielhaften Ausführungsform wird der Aktuator 52 durch ein druckbeaufschlagtes Gas angetrieben, obgleich der Aktuator in alternativen Ausführungsformen auch durch hydraulische oder magnetische Mittel angetrieben werden können, die in der Lage sind, eine im Wesentlichen gleichmäßig verteilte Kraftsäule über die Wafersitzfläche hinweg zu erzeugen. In der in 8 gezeigten beispielhaften Ausführungsform hat der Aktuator 52 ein bewegliches Plattenelement 54 und ein Basis- oder Reaktionselement 55. In dieser Ausführungsform sitzt das Basiselement 55 fest an der Fläche 58 der Sitzstruktur 56. Balgdichtungen 52B verbinden die Platte 54 und die Basiselemente 55 des Aktuators 52 und isolieren den Aktuator vom Kammerinneren, wie in 13 gezeigt. Wie zu erkennen ist, wird ein gewünschtes Gas (zum Beispiel saubere Luft oder Inertgas, wie zum Beispiel Stickstoff, N2) zwischen die Platte 54 und die Basiselemente 55 zum Betätigen eingeleitet. Der Druck des Gases wird so gesteuert, dass die gewünschten hohen Drücke (zum Beispiel etwa 100 kN auf 200-mm Wafer; etwa 225 kN auf 300-mm Wafer) zum Bonden des Waferstapels erreicht werden. Das Plattenelement 54 hat in der beispielhaften Ausführungsform ein Druckfläche 54F, die im Wesentlichen ähnlich (zum Beispiel in Form und Größe) der Waferstützfläche 21S des Spannfutters 21 und parallel auf diese ausgerichtet ist, um eine im Wesentlichen gleichmäßige Säule zur Lastbeaufschlagung zwischen der Plattenfläche 54F und der Waferstützfläche zu erzeugen, die im Wesentlichen senkrecht zu der Ebene der Waferstützfläche verläuft. Der Bondungsdruck wird mit den Druckmessgeräten 295 überwacht, wie in 13 gezeigt. In einigen Ausführungsformen wird die Größe der Druckfläche 54F über einen manuellen oder einen automatisierten Mechanismus eingestellt, um verschiedenen große Wafer zu berücksichtigen. Es ist zu erkennen, dass die Orthogonalität der Belastung durch den Aktuator auf der Waferstützfläche ohne Weiteres erreicht werden kann, indem die Planarität und den Grad der Parallelität der Plattendruckfläche und der Waferstützfläche kontrolliert wird.
  • Wie in 9 zu sehen, umfasst der untere Block 22 in der beispielhaften Ausführungsform außerdem ein Nivelliersystem 82 zum Nivellieren der Waferstützfläche 21S der unteren Blockanordnung 22 mit der Wafersitzfläche 23S der oberen Blockanordnung 20. In der beispielhaften Ausführungsform schwebt das Plattenelement 54 - und folglich der bewegliche Abschnitt 22M der unteren Blockanordnung 22 - auf einer Schicht aus Gas mit Bezug auf die Basis 55 und ist positional von der Basis 55 entkoppelt, abgesehen von der Steuerung durch das Nivelliersystem 82. In der beispielhaften Ausführungsform umfasst das Nivelliersystem 82 einen linearen Führungsabschnitt 84 und einen rotationalen Führungs- oder kardanischen Abschnitt 86, wie in 12 gezeigt. Der lineare Führungsabschnitt 84 führt die Bewegung des beweglichen Blockabschnitts 22M so, dass die Bewegung der Waferstützfläche 21S im Wesentlichen axial in der Richtung, die durch den Pfeil P1 angedeutet ist, verläuft (ohne seitliche Translation). Der rotationale Führungsabschnitt 86 führt die Bewegung des beweglichen Abschnitts 22M so, dass sich die Waferstützfläche 21S um einen Mittelpunkt 85 (in 10 gezeigt), der der Mitte der Waferbondungsgrenzfläche 405 entspricht, ohne Translation drehen und/oder neigen kann. Das Nivelliersystem 82 kann autonom/automatisch sein oder kann gewünschtenfalls manuell bedient werden. In der beispielhaften Ausführungsform umfasst der lineare Führungsabschnitt 84 eine Führungsstange 84R, die beweglich in einer Linearlageranordnung 84B gestützt wird, wie in 13 gezeigt. Die Führungsstange 84R ist mit dem Plattenelement 54 verbunden, wie in 13 gezeigt. In alternativen Ausführungsformen kann der lineare Führungsabschnitt 84 jede andere gewünschte Ausgestaltung haben. Wie in 13 zu sehen, ist in der beispielhaften Ausführungsform die Linearlageranordnung 84B an die kardanische Aufhängung 86, die durch eine halbkugelförmige Lageranordnung definiert, angepasst. Der Radius der halbkugelförmigen Auflagefläche erstreckt sich von der Bondungsgrenzflächenmitte 85. Die kardanische Aufhängung 86 kann an dem Stützsitz 56T angebracht sein. In alternativen Ausführungsformen kann der kardanische Abschnitt jede andere gewünschte Ausgestaltung haben. In weiteren alternativen Ausführungsformen können die linearen Führungs- und kardanischen Abschnitte in jeder anderen gewünschten Anordnung aneinander angepasst sein. Wie in 13 zu sehen, ist das Nivelliersystem 82 so positioniert, dass der lineare Führungsabschnitt 84 und der kardanische Abschnitt 86 weder durch den Aktuator 52 noch irgend einen anderen Abschnitt der unteren Blockanordnung während des Bondungsbetriebes belastet werden. In der beispielhaften Ausführungsform ist der kardanische Abschnitt 86 vorbelastet, um die Auflagefläche zu arretieren und zu lösen. Die Vorbelastung kann durch jeden gewünschten Typ eines Vorbelastungssystems bewerkstelligt werden, wie zum Beispiel pneumatischen oder hydraulischen Druck oder mechanischen oder elektromechanischen Druck, der an die Auflagefläche angelegt wird. Das Vorbelastungssystem kann über eine geeignete Steuereinheit (nicht gezeigt) gesteuert werden oder kann auf ein gewünschtes Arretierungslimit eingestellt werden. Das Nivelliersystem 82 ermöglicht eine dynamische Nivellierung der unteren Blockanordnung zu der oberen Blockanordnung. Dies beseitigt den überspannten Zustand, der eintritt, wenn die oberen und unteren Anordnungen nicht parallel sind oder wenn der Waferstapel keilförmig ist. Das Lager selbst trägt nicht die Bondungslast, und der Drehmittelpunkt liegt so auf der Waferebene, dass eine auftretende Rotation keine Waferverschiebung verursacht.
  • Wir wenden uns 20 zu. In einer anderen Ausführungsform ist das Nivelliersystem 82 so positioniert, dass es die Last des Aktuators 52 sowie die Bondungslast trägt. Der kardanische Abschnitt 86 ist unter der festen Platte 55 positioniert und stützt die feste Platte 55, die bewegliche Platte 54 und den darüber liegenden Flansch 36, das Wärmeisoliersystem 72, die Heizvorrichtung 32, das Spannfutter 21 und den Wafer (nicht gezeigt). In dieser Ausführungsform wird die Größe der Basis der angelegten Kraftsäule so eingestellt, dass Wafer verschiedener Größen aufgenommen werden können. Die feste Platte 55 ist gegen die bewegliche Platte 54 an den Rändern mit der Balgdichtung 52B und an auswählbaren Zwischenpositionen mit Kolben- oder Zonendichtungen 52Z1 und 52Z2 abgedichtet. Die Dichtungspositionen der Balgdichtungen 52B und Zwischenzonendichtungen 52Z1, 52Z2 werden auf der Grundlage der Größe des Waferstapels, der gebondet werden muss, ausgewählt und bestimmen die Grundfläche der angelegten Kraftsäule. Druckbeaufschlagtes Gas füllt die abgedichtete Region zwischen den ausgewählten Dichtungen. In einem Beispiel wird die Position der Balgdichtungen 52B an den Rändern zum Bonden von 8 Zoll-Wafern ausgewählt, die Zonendichtung 52Z1 wird zum Bonden von 6 Zoll-Wafern ausgewählt, und die Zonendichtung 52Z2 wird zum Bonden von 4 Zoll-Wafern ausgewählt.
  • Wir wenden uns nun auch 14 zu. Wie zuvor angemerkt, hat die untere Blockanordnung ein Wärmeisoliersystem 72, das die Heizvorrichtung 32 thermisch von dem Passungsabschnitt der Blockanordnung isoliert, welche die Heizvorrichtung stützt. Wie ebenfalls zuvor angemerkt, ist in der beispielhaften Ausführungsform das Wärmeisoliersystem ein lasttragendes Vakuumisoliersystem. Wie in 13 zu sehen, ist das Isoliersystem 72 entlang des Belastungspfads vom Aktuator 52 bis zur Waferstützfläche 21S positioniert. Das Wärmeisoliersystem 72 stützt die Bondungsdrucklasten. Wie in 14 zu sehen, umfasst das System 72 allgemein eine lasttragende Vakuumschicht, die zwischen einer Platte 78 und einer Membran 76 begrenzt wird. Die Membran 76 ist mit der Platte 78 über die Bälge 74 außerhalb der lasttragenden Region verbunden. Die Membran 76 kann aus jedem geeigneten Material bestehen, wie zum Beispiel INCONEL™, und kann in jeder geeigneten Weise, wie zum Beispiel durch Schweißen, mit dem offenen Ende der Bälge 74 verbunden werden. Wie in 14 zu sehen, sind die Bälge 74 außerhalb des lasttragenden Abschnitts der Blockanordnung angeordnet, und die Membran 76 ist in dem lasttragenden Abschnitt positioniert. Die Membran 76 wird durch die Platte 78 gestützt, die Material enthält, das einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten (Coefficient of Thermal Expansion, CTE) besitzt. In einem Beispiel besteht die Platte 78 aus ZERODUR® Glaskeramik, hergestellt von der Schott AG. Die Platte 78 hat eine Fläche 78S, die so ausgebildet ist, dass die Kontaktfläche mit der Membran 76 minimiert wird, sie aber dennoch ausreichend Festigkeit besitzt, um die Drucklasten während der Bondung zu tragen, wie in 15 gezeigt. Diese Struktur 72 wird fortlaufend evakuiert, um die Wärmeübertragung zu minimieren. Wie oben angesprochen, wird die Fläche 78S zum Beispiel durch maschinelle Bearbeitung oder einen anderen geeigneten Herstellungsprozess gebildet, um die Kontaktfläche mit der Membran zu minimieren und folglich eine begrenzte und schlechte thermische Kontaktfläche zwischen der Membran 76 und der Schicht aus Material mit niedrigem CTE 78 bereitstellen. Es versteht sich, dass die Schicht aus Material mit niedrigem CTE 78 ebenfalls einen schlechten Wärmeleitkoeffizienten haben kann. In der in 15 gezeigten beispielhaften Ausführungsform hat die Kontaktfläche 78S erhöhte Vorsprünge, welche die Membran 76 berühren. Die Vorsprünge sind schematisch in 15 gezeigt und können jede geeignete Form haben. Zum Beispiel können die Vorsprünge einen Querschnitt haben, der sich einwärts verjüngt, um die Membran zu kontaktieren. Anzahl und Größe der Vorsprünge können nach Wunsch gewählt werden, um gewünschte Lastkapazitäts- und Wärmeleiteigenschaften an der Grenzfläche zwischen der Membran und der Schicht aus Material mit niedrigem CTE zu erreichen. Es ist zu erkennen, dass die thermische Unterbrechung, die durch das Isoliersystem 72 erzeugt wird, rasche Wärmezyklen der Heizvorrichtung 32, des Spannfutters 21 und des Waferstapels 430 erlaubt.
  • Wir wenden uns erneut 8 zu. In der beispielhaften Ausführungsform ist die obere Blockanordnung 20 allgemein ähnlich der unteren Blockanordnung 22, wie zuvor beschrieben. In der beispielhaften Ausführungsform stellt der obere Block die Steuerniveaufläche für die Stapelbondung bereit, und das Nivelliersystem 82 dient dazu, die Waferstützfläche 21S der unteren Blockanordnung auf die Waferstützfläche 23S der oberen Blockanordnung zu nivellieren, wie zuvor beschrieben. In alternativen Ausführungsformen kann die obere Blockanordnung 20 ein integrales Nivelliersystem haben. In dieser Ausführungsform ist die obere Blockanordnung 20 nicht beweglich. In anderen Ausführungsformen kann die obere Blockanordnung 20, ähnlich der Blockanordnung 22, einen beweglichen Abschnitt 20M mit Spannfutter 23, Heizvorrichtung 30 und Stützflansch 34 (ähnlich der Heizvorrichtung 32 und dem Flansch 36 des unteren Blocks) haben, der durch den Aktuator 50 in der Richtung betätigt wird, die durch den Pfeil P1 angedeutet ist. Wie in 8 zu sehen, definiert in der beispielhaften Ausführungsform ein lasttragendes Vakuum-Wärmeisoliersystem 70, ähnlich dem zuvor beschriebenen System 72, eine thermische Unterbrechung zwischen der Heizvorrichtung 30 und dem Flansch 34. Der Aktuator 50 in der alternativen Ausführungsform kann ebenfalls dem Aktuator 52 ähneln. Der Aktuator 50 kann ein Plattenelement 57 und ein Reaktions- oder Basiselement 55 haben, das durch Balgdichtungen 53B an dem Plattenelement angebracht ist, wie in 16 gezeigt. In der beispielhaften Ausführungsform sind die Balgdichtungen 53B dafür ausgebildet, den beweglichen Abschnitt 20M von dem Basiselement 55 aus unter statischen Bedingungen zu stützen. Vorbelastungsblöcke 59 können zum Vorbelasten der Bälge 53B während statischer Bedingungen vorhanden sein, um eine verbesserte Steuerung der Plattenelementverschiebung während des Aktuatorbetriebes zu ermöglichen (zum Beispiel wirken Vorbelastungsblöcke den Federkräften in den Bälgen aufgrund des Gewichts des beweglichen Abschnitts der oberen Blockanordnung entgegen). Wie in 8 zu sehen, ist in der beispielhaften Ausführungsform das Basiselement 51 des Aktuators mit dem Überbrückungselement 53 verbunden und wird von diesem aus über einen Verbindungsabschnitt 102 gestützt. Der Verbindungsabschnitt 102 ist im Wesentlichen in der z-Achse, um die z-Lasten zwischen dem Basiselement 51 und dem Überbrückungselement 53 ohne nennenswerte Längung zu übertragen. Während des Bondungsprozesses verhält sich der Verbindungsabschnitt 102 wie eine Stiftverbindung und ist folglich nicht in der Lage, Bondungsmomente zu übertragen. In der in 8 gezeigten beispielhaften Ausführungsform umfasst der Verbindungsabschnitt 102 eine ringförmige Umfassung oder Wand 102w, die an einem Ende 103 mit dem Basiselement 55 verbunden ist. Die Wand 102w hat einen Flansch 106, der sich zwischen der Wand 102w und dem Überbrückungselement 53 erstreckt und die Wand 102w mit dem Überbrückungselement 53 verbindet. Der Flansch 106 kann einstückig mit der Wand 102w oder dem Überbrückungselement 53 ausgebildet sein. Die Flanschdicke ähnelt der Dicke des Überbrückungselements an der Grenzfläche zwischen dem Flansch 106 und dem Überbrückungselement 53. Wenn er einstückig mit dem Überbrückungselement 53 ausgebildet wird, so wird der Flansch 106 in jeder gewünschten Weise (zum Beispiel durch Schweißen) mit der Wand 102w verbunden und umgekehrt. Der Flansch 106 dient zum Versetzen der Wand 102w von dem Überbrückungselement 53 und verringert folglich die Biegesteifigkeit der Wand 102w zu der Verbindung des Überbrückungselements 53 und ermöglicht es der Wand 102w im Wesentlichen, Bondungslasten zwischen dem Aktuatorbasiselement 51 und dem Überbrückungselement 53 zu übertragen. Es ist zu erkennen, dass dies dem Basiselement 51 erlaubt, im Wesentlichen flach zu bleiben, wenn der Aktuator zum Bonden des Waferstapels in der Kammer mit Druck beaufschlagt wird.
  • Obgleich die oben angesprochenen Ausführungsformen eine wesentliche Verbesserung gegenüber den bekannten Mechanismen darstellen, sind einige ihrer Aspekte teuer oder komplex in der Ausgestaltung und Verwendung. Daher werden im Folgenden verschiedene Verbesserungen beschrieben.
  • Wir wenden uns erneut 6 zu. Es ist wünschenswert, dass die obere Blockanordnung 20 auf demselben Niveau mit Bezug auf die untere Blockanordnung 22 liegt, so dass ein gleichmäßiger Druck an die gesamten Flächen 23S und 21S angelegt wird, wenn sie zusammengebracht werden. Wie zuvor mit Bezug auf 8 beschrieben, ist ein gewisser Grad an z-Achsen-Einstellung an der Verbindung 44 jedes Gewindepfostens 42 durch Einstellung entsprechender Eingriffnahmeelemente 44E möglich. In einer Ausführungsform, bei der drei solcher Pfosten 42 verwendet werden, kann eine solche zweidimensionale Nivellierung erhalten werden. Jedoch wird in der Praxis festgestellt, dass eine Ausgestaltung unter Verwendung dieses Mechanismus zeitaufwändig und etwas schwierig ist. Als eine Verbesserung, und nun unter Bezug auf 21, wird in einer Ausführungsform anstelle von jeweils zwei der drei Pfosten 42 ein Gewindepfosten 2101 mit einem Differenzgewinde-Einstellbund 2102, der von einer Nivellierhülse 2110 umgeben ist, in Eingriff gebracht. Um sicherzustellen, dass die Gewindegänge des Einstellbundes 2102 korrekt sitzen, bevor eine Last an sie angelegt wird, so dass sich die Einstellung nicht unter Last verändert, werden Vorbelastungsfedern 2105 (zum Beispiel Vorbelastungsscheiben) zwischen der Befestigungsplatte 46 und dem Gewindepfosten 2101 in Eingriff gebracht, wobei ein oberer Abstandshalterstopp 2103 und eine Sechskantschraube 2104 angeordnet sind, wie gezeigt, um einen Bereichsgrenzenstopp bereitzustellen. Eine Klemme 2106 ist dafür ausgebildet, eine radiale Klemmkraft bereitzustellen, um eine z-Achsen-Bewegung zu minimieren, wenn sie festgezogen wird, nachdem die Nivellierungeinstellung vollendet ist. Die Nivellierhülse 2110 umfasst eine Schulter 2111, die es einer Sechskant-Ansatzschraube 2112 erlaubt, eine Rotation (oder sonstige Bewegung) der Nivellierhülse 2110 während der Einstellung zu verhindern. In einer Ausführungsform sind die Federn 2105 Teller- oder Konusscheibenfedern, die wie gezeigt übereinander gelegt sind (zum Beispiel innerhalb eines allgemein konusförmigen Sitzmerkmals, das in der Befestigungsplatte 46 definiert ist), um die gewünschte Vorbelastungskapazität und den gewünschten Einstellungsbereich bereitzustellen, der in einigen Ausführungsformen ungefähr ± 2 mm beträgt, mit einer Vorbelastungskraft von mindestens 5 kN oder mehr (zum Beispiel etwa 10 kN oder mehr, etwa 15 kN oder mehr, und so weiter). In einer Ausführungsform hat der Gewinde-Einstellbund 2102 ein Differenzgewinde in Form eines Mikrometerantriebssystems mit Außengewindegängen von 2 mm Steigung und Innengewindegängen von 1,5 mm Steigung, was eine effektive Steigungsfeinheit von etwa 1,0 mm oder weniger (zum Beispiel etwa 0,75 mm oder weniger, etwa 0,5 mm oder weniger, und so weiter). In einigen Ausführungsformen kann die Steigung der Innengewindegänge etwa 0,5 mm kleiner sein als die Steigung der Außengewindegänge.
  • 22 ist eine perspektivische Ansicht, welche die in 21 besprochenen Komponenten veranschaulicht. In der veranschaulichten Ausführungsform umfasst die Nivellierhülse 2110 eine integrale Klemme 2106, die durch Wegschneiden eines Abschnitts der Nivellierhülse 2111 gebildet wird. Außerdem werden Noniusskalenmarkierungen 2202 in einen Abschnitt der Nivellierhülse 2110 geätzt, und Noniusskalenmarkierungen 2201 werden auch auf einen Abschnitt des Gewinde-Einstellbundes 2102 geätzt, wodurch eine Einstellung durch den Nutzer in einer einfacheren Weise möglich wird, als wenn keine solchen Markierungen vorhanden wären. In einer Ausführungsform haben die Noniusskalenmarkierungen 2201 und 2202 eine Messfeinheit in der Größenordnung von einem Mikrometer (1 µm).
  • Wie zuvor angemerkt, werden in einer Ausführungsform zwei von drei Pfosten 42 durch die in den 21 und 22 gezeigten Ausgestaltungen von Komponenten ersetzt. In dieser Ausführungsform ist die Ersetzung für den dritten Gewindepfosten 42 eine nicht-einstellbare kardanische Befestigung. Indem zwei von drei Pfosten einstellbar sind, wird die gewünschte Nivellierfähigkeit erreicht, und es bedarf keines dritten Einstellpunkts. Wir wenden uns nun 23 zu. Ein dritter Gewindepfosten 2101 wird nicht mit den in den 21 und 22 gezeigten Einstellungskomponenten versehen, sondern umfasst eine Kraftmessdose 2301 mit einer entsprechenden Kappe 2302 und einer kardanischen Buchse 2303. In einer Ausführungsform wird die Kappe 2302 mittels einer Kappschraube (nicht gezeigt) und Federn 2105 in der gleichen Weise festgezogen, wie in Verbindung mit 21 besprochen wurde. Die Kraftmessdose 2301 - in einer Ausführungsform ein Modell FD0180-N510-1379-M09 (bei ATP Messtechnik GmbH aus Ettenheim, Deutschland, zu beziehen) - wird anstelle der Kraftmessdose 2301 verwendet. Ein Vorteil dieser kardanischen Ausgestaltung ist, dass die Kraftmessdose 2301 nicht nur einen Teil der Kardanaufhängung bildet, sondern auch als ein Sensor für die angelegte Kraftsäule verwendet werden kann, wie zuvor besprochen. Dank gleicher Abstände und symmetrischer Anordnung der Pfosten 42 (genauer gesagt, der Pfosten 2101, die mit Bezug auf die 21 und 23 besprochen wurden) ist die angelegte Gesamtkraft einfach das Dreifache der Kraft, die durch die Kraftmessdose 2301 angezeigt wird. Gemäß einigen Ausführungsformen kann eine Kraftmessdose 2301 mit jedem oder mit jeder Kombination der bereitgestellten Pfosten verwendet werden. Daher können mehrere Kraftmessdosen 2301 an einer oder mehreren Positionen verwendet werden.
  • Wie oben zum Beispiel in Verbindung mit den 6, 8 und 11 beschrieben wurde, ist eine untere Blockanordnung 22 dafür ausgebildet, in Kontakt mit einer oberen Blockanordnung 20 gebracht zu werden, und in der konkreten Ausführungsform der 8 und 11 werden die zugehörigen Heizvorrichtungs- und Wärmeisolierungskomponenten 30, 32, 34, 36 alle über die Kraftsäulen 450, 460 zusammengebracht. In der Praxis wird festgestellt, dass thermische Differenzen und signifikante Drücke eine Aufwärtswölbung bestimmter Komponenten bewirken können (zum Beispiel der oberen und unteren Blockanordnungen 20, 22 und jener Komponenten, das hinreichend stark gegen jene Anordnungen gepresst werden können, um ihre Formen anzunehmen). Obgleich eine solche Verformung überaus klein sein kann (in einigen Fällen zum Beispiel in einem Bereich von 25-150 µm), kann dies trotzdem zu einer ungleichmäßigen Waferbondung führen. Wir wenden uns nun 24 zu. Um eine solche Verformung zu minimieren, wird in einer Ausführungsform eine Reaktionsplatte 2401 verwendet, um solche ungewollten Verformungen zu minimieren. In einer Ausführungsform ist die Reaktionsplatte 2401 ein monolithisches, maschinell bearbeitetes Stück aus Stahl AISI 1045 ohne komplexe bewegliche Teile. Die Reaktionsplatte 2401 wird durch Schrauben an dem Basiselement 51 befestigt, das zuvor beschrieben wurde. Ein Satz Dichtungen 2402-2407 (mit entsprechenden Querschnitten auf der rechten Seite von 24, ohne Bezugszeichen), in einer Ausführungsform O-Ringe, sind in entsprechenden Nuten in dem Basiselement 51 und der Reaktionsplatte 2401 angeordnet. Die Dichtungen 2406 und 2407 wahren die Druckverhältnisse in der Prozesskammer, was die Region außerhalb des Raumes ist, der durch die Dichtung 2407 definiert wird, und innerhalb des Raumes ist, der durch die Dichtung 2406 definiert wird. Die Prozesskammerumgebung ist in einigen Ausführungsformen ein Hochvakuum, kann aber auch höhere Drücke aufweisen (in einer Ausführungsform zum Beispiel bis zu 2 Atmosphären). Die Dichtungen 2402 und 2405 definieren innere bzw. äußere Grenzen zum Einleiten von druckbeaufschlagtem Gas (in der zuvor beschriebenen Weise) zwischen dem Basiselement 51 und der Reaktionsplatte 2401 über die entsprechenden Ports (nicht gezeigt). Die Räume zwischen den Dichtungen 2402 und 2406 sowie zwischen den Dichtungen 2405 und 2407 werden über die Entlüftungen 2408 auf einem atmosphärischen Nenndruck gehalten. Ein Teil des Materials, das die Reaktionsplatte 2401 bildet, wird weggeschnitten, um eine Durchbiegung 2409 zu bilden. Die Dichtungen 2402-2407 wirken als dynamische Dichtungen, die sich mit der relativen Bewegung der entsprechenden Abschnitte des Basiselements 51 mit Bezug auf die Reaktionsplatte 2401 ausdehnen oder zusammenziehen, wodurch die Notwendigkeit komplexerer Strukturen entfällt, wie zum Beispiel Kolben, die sonst eine Abdichtung bei einer solchen Bewegung aufrecht erhalten würden. In einer Ausführungsform werden die Dichtungen 2402-2405 unter Verwendung von O-Ringen mit 3 mm Durchmesser implementiert, von denen festgestellt wurde, dass sie eine gute Abdichtung selbst bei Drücke in der Größenordnung von 37 bar (zum Beispiel ungefähr 537 psi) aufrecht erhalten.
  • Die Dichtungen 2403-2405 sind dafür ausgebildet, eine Druckbeaufschlagung zu gestatten, die für die drei verschiedenen Standardgrößen von Wafern zweckmäßig ist. Für 4 Zoll-Wafer wird druckbeaufschlagtes Gas über die entsprechenden Ports in der Region zwischen den Dichtungen 2402 und 2403 eingeleitet; für 6 Zoll-Wafer wird die Zone zwischen den Dichtungen 2403 und 2404 ebenfalls druckbeaufschlagt. Für 8 Zoll-Wafer wird auch die Zone zwischen den Dichtungen 2404 und 2405 druckbeaufschlagt. Es ist anzumerken, dass die Dichtung 2407 kleiner ist als die anderen Dichtungen, da sie außerhalb der Durchbiegung 2409 in einem Bereich liegt, der keiner signifikanten Verformung unterliegt.
  • In der Praxis wird festgestellt, dass jede ungewollte Variation der Bondungskraft und eine entsprechende Verformung des Substratspannfutters aufgrund einer Aufwärtswölbung von Komponenten, wie zum Beispiel des Basiselements 51 in den beschriebenen Ausführungsformen (zum Beispiel in 15), bei Verwendung der Reaktionsplatte 2401, die in der beschriebenen Weise druckbeaufschlagt wird, deutlich reduziert wird.
  • Des Weiteren sind in 24 verschiedene Elemente zwischen der Reaktionsplatte 2401 und dem Spannfutter 23 (zuvor beschrieben) in einer Ausführungsform veranschaulicht. Wie gezeigt, gehören dazu eine wassergekühlte Flanschanordnung, einschließlich einer Kappe 2410 und eines Stützflansches 34, wie zuvor beschrieben, sowie Heiz- und Wärmeisolierungskomponenten, einschließlich einer Isolierplatte 2470 und der zuvor beschriebenen Heizvorrichtung 32 mit Wärmeabschirmungen 2478, wie unten noch ausführlicher beschrieben wird. 25 ist eine geöffnete perspektivische Zeichnung der Reaktionsplatte 2401 sowie vieler der zugehörigen Komponenten, die in 24 veranschaulicht sind.
  • Es ist festzustellen, dass die Isolierplatte 2470 eine verbesserte Beständigkeit und verlängerte Grenznutzungsdauer besitzt sowie weniger komplex ist als im Fall der Wärmeisoliersysteme, die zuvor in Verbindung beispielsweise mit den 14 und 19 beschrieben wurden, selbst unter den Temperatur- und Druckextremen einer wiederholten Verwendung. In einer Ausführungsform besteht die Isolierplatte 2470 aus Material mit niedrigem CTE, wie zuvor beschrieben, wobei ein Satz übereinandergelegter Wärmeabschirmungen 2478 zwischen der Isolierplatte 2470 und der Heizvorrichtung 32 angeordnet ist, um eine verbesserte Wärmeisolierung zu ermöglichen. Wir wenden uns nun 26 zu. Anstelle der Verwendung des Systems aus einer einzelnen Platte mit niedrigem CTE 78 und einer Membran 76 von 19 besteht die Isolierplatte 2470 in einer Ausführungsform aus einer Anzahl kuchenförmiger Keile 2671 aus Material mit niedrigem CTE. Es wird festgestellt, dass ein Nutzeffekt der Verwendung solcher Keile 2671 anstelle eines einzelnen Stücks aus Material mit niedrigem CTE in der Minimierung der nachteiligen Auswirkungen der Wärmeausdehnung und -kontraktion liegt. Eine solche Ausdehnung/Kontraktion eines einzelnen solchen Stücks, wenn es in Kontakt mit einem anderen Stück steht, das einen anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten hat (zum Beispiel die Membran 76, wie in 19 gezeigt), kann zu Abrasion entweder des Materials mit niedrigem CTE, des anderen Stücks oder von beidem führen. Da die kuchenförmigen Keile 2671 unabhängig sind, kann sich jeder geringfügig mit Bezug auf den anderen bewegen, und daher wird eine Abrasion durch Bewegung aufgrund der Wärmeausdehnung/-kontraktion minimiert oder wenigstens verringert. In einigen Fällen können die Keile 2671 dafür ausgebildet sein, allgemein kreisförmig angeordnet zu werden, wobei die Scheitelpunkte zu einem gemeinsamen Mittelpunkt weisen, obgleich gemäß anderen Ausführungsformen auch andere Anordnungen möglich sind. Darüber hinaus gestattet die Verwendung von Keilen 2671, dass die Isolierplatte 2470 einen kleinen Betrag an gewünschter nachgebender Auslenkung im Bereich von etwa 50 µm oder weniger (zum Beispiel etwa 30 µm oder weniger, etwa 10 µm oder weniger, etwa 5 µm oder weniger, und so weiter) mitmachen und eine solche Auslenkung ohne Rissbildung überstehen kann, da Materialien mit niedrigem CTE diesbezüglich in der Regel nicht sonderlich tolerant sind.
  • In einer Ausführungsform wird eine weitere Verbesserung gegenüber Membran/Vakuum-Systemen wie zum Beispiel denen von 19 durch die Verwendung übereinandergelegter Folien-Wärmeabschirmungen 2478 erreicht, anstatt sich nur auf ein Vakuum zu verlassen (und sich dementsprechend darauf zu verlassen, dass die Membran 76 intakt bleibt). In einer Ausführungsform umfassen die Wärmeabschirmungen zwei Metallfolienschichten, von denen jede ausgeschnittene Löcher aufweist, die dem Muster der erhöhten Vorsprünge der Isolierplatte 2470 entsprechen. In einer Ausführungsform bestehen Kopfabschirmungen 2478 aus Edelstahl; in einer alternativen Ausführungsform wird eine Legierung mit niedrigem CTE, wie zum Beispiel Invar, verwendet. In der Praxis wird festgestellt, dass bei Verwendung der Isolierplatte 2470 und der Folien-Wärmeabschirmungen 2478 eine Leistung ähnlich dem Vakuum-basierten System von 19 erreicht wird, ohne dass überhaupt ein Vakuum hergestellt werden muss.
  • Wir wenden uns nun 27 zu. In einer weiteren Ausführungsform besteht die Isolierplatte 2470 aus zwei Stücken eines Materials mit niedrigem CTE: einem oberen Abschnitt 2771 und einem unteren Abschnitt 2772. In einer Variante dieser Ausführungsform werden nicht einmal Wärmeabschirmungen 2478 benötigt, insbesondere dann, wenn ein geringfügiges Vakuum in den Hohlräumen zwischen dem oberen Abschnitt 2771 und dem unteren Abschnitt 2772 aufrecht erhalten wird. Auf diese Weise werden die Wärmeisolierungsvorteile eines teilweisen Vakuums erhalten, ohne dass eine Membran benötigt wird, die im Lauf der Zeit verschleißen kann. Es kann sich erweisen, dass Kombinationen dieser Merkmale ebenfalls verbesserte Leistungs- und Verschleißeigenschaften in bestimmten Anwendungen erbringen. Zum Beispiel kann jeder der Keile 2671 von 26 aus oberen und unteren Abschnitten 2771, 2772 bestehen, wie in 27 gezeigt.

Claims (29)

  1. Halbleiterstruktur-Bondungsvorrichtung (10), umfassend: eine untere Blockanordnung (22), die eine erste Fläche umfasst, die dafür ausgebildet ist, mindestens einen Halbleiterwafer darauf abzulegen; eine obere Blockanordnung (20), die eine zweite Fläche umfasst, die dafür ausgebildet ist, unter Anlegung von Bondungsdruck an den mindestens einen Halbleiterwafer mit der ersten Fläche in Kontakt gebracht zu werden; und ein Nivellierungseinstellsystem, das dafür ausgebildet ist, eine Nivellierungseinstellung der oberen Blockanordnung (20) mit Bezug auf die untere Blockanordnung (22) vorzunehmen, wobei das Nivellierungseinstellsystem Folgendes umfasst: einen ersten Gewindepfosten (2101); einen ersten Differenzgewinde-Einstellbund (2102), der den ersten Gewindepfosten (2101) umgibt; eine erste Nivellierhülse (2110), die den ersten Differenzgewinde-Einstellbund (2102) umgibt; einen zweiten Gewindepfosten (2101); einen zweiten Differenzgewinde-Einstellbund (2102), der den zweiten Gewindepfosten (2101) umgibt; und eine zweite Nivellierhülse (2110), die den zweiten Differenzgewinde-Einstellbund (2102) umgibt.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei mindestens einer des ersten Differenzgewinde-Einstellbundes (2102) und des zweiten Differenzgewinde-Einstellbundes (2102) als ein Mikrometerantriebssystem ausgebildet ist, das Außengewindegänge einer ersten Steigung hat und Innengewindegänge einer zweiten Steigung hat, die sich von der ersten Steigung unterscheidet.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die zweite Steigung etwa 0,5 mm kleiner ist als die erste Steigung.
  4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens einer des ersten Differenzgewinde-Einstellbundes (2102) und des zweiten Differenzgewinde-Einstellbundes (2102) dafür ausgebildet ist, eine effektive Steigungsfeinheit von 1,0 mm oder weniger aufzuweisen.
  5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens eine der ersten Nivellierhülse (2110) und der zweiten Nivellierhülse (2110) einen Schulterabschnitt umfasst, der dafür ausgebildet ist, ein Befestigungsmittel aufzunehmen, dergestalt, dass die mindestens eine der ersten Nivellierhülse (2110) und der zweiten Nivellierhülse (2110) daran gehindert ist, sich während der Nivellierungseinstellung der oberen Blockanordnung (20) mit Bezug auf die untere Blockanordnung (22) zu drehen.
  6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens eine der ersten Nivellierhülse (2110) und der zweiten Nivellierhülse (2110) eine Klemme (2106) umfasst, die einstückig mit ihr ausgebildet ist und dafür ausgebildet ist, eine radiale Klemmkraft bereitzustellen, die eine z-Achsen-Bewegung reduziert, wenn sie festgezogen wird, nachdem die Nivellierungseinstellung der oberen Blockanordnung (20) mit Bezug auf die untere Blockanordnung (22) vollendet wurde.
  7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei: die Vorrichtung des Weiteren eine Befestigungsplatte (46) umfasst, die mit dem ersten Gewindepfosten (2101) und dem zweiten Gewindepfosten (2101) wirkgekoppelt ist und dafür ausgebildet ist, eine Last von der oberen Blockanordnung (20) zu dem ersten Gewindepfosten (2101) und dem zweiten Gewindepfosten (2101) zu verteilen; und das Nivellierungseinstellsystem des Weiteren mehrere Vorbelastungsfedern (2105) umfasst, die zwischen der Befestigungsplatte (46) und mindestens einer des ersten Gewindepfostens (2101) und des zweiten Gewindepfostens (2101) angeordnet sind.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei mindestens eine der mehreren Vorbelastungsfedern eine Tellerfeder ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, wobei die mehreren Vorbelastungsfedern (2105) dafür ausgebildet sind, eine Vorbelastungskraft von mindestens 5 kN bereitszustellen.
  10. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Nivellierungseinstellsystem des Weiteren einen oberen Abstandshalter-Endanschlag, der über mindestens einem des ersten Gewindepfostens (2101) und des zweiten Gewindepfostens (2101) angeordnet ist, innerhalb eines entsprechenden mindestens einen des ersten Differenzgewinde-Einstellbundes (2102) und des zweiten Differenzgewinde-Einstellbundes (2102) umfasst, und dafür ausgebildet ist, ein Befestigungsmittel aufzunehmen, dergestalt, dass das Befestigungsmittel physisch mit dem mindestens einen des ersten Gewindepfostens (2101) und des zweiten Gewindepfostens (2101) gekoppelt ist.
  11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Nivellierungseinstellsystem des Weiteren einen dritten Gewindepfosten (2101) umfasst, der als eine nicht-einstellbare kardanische Befestigung ausgebildet ist.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei das Nivellierungseinstellsystem des Weiteren Folgendes umfasst: einen dritten Gewindepfosten (2101); und eine Kraftmessdose (2301), durch die der dritte Gewindepfosten (2101) eingefügt wird.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei: die Vorrichtung des Weiteren eine Befestigungsplatte (46) umfasst, die mit dem ersten Gewindepfosten (2101) und dem zweiten Gewindepfosten (2101) wirkgekoppelt ist und dafür ausgebildet ist, eine Last von der oberen Blockanordnung (20) zu dem ersten Gewindepfosten (2101) und dem zweiten Gewindepfosten (2101) zu verteilen; und das Nivellierungseinstellsystem des Weiteren eine kardanische Buchse (2303) umfasst, die zwischen der Kraftmessdose (2301) und der Befestigungsplatte (46) angeordnet ist und durch die der dritte Gewindepfosten (2101) eingefügt wird.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder Anspruch 13, wobei das Nivellierungseinstellsystem des Weiteren eine Kappe (2302) umfasst, die über dem dritten Gewindepfosten (2101) angeordnet ist und dafür ausgebildet ist, ein Befestigungsmittel aufzunehmen, dergestalt, dass das Befestigungsmittel physisch mit dem dritten Gewindepfosten (2101) gekoppelt ist.
  15. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei: die obere Blockanordnung (20) des Weiteren Folgendes umfasst: ein Spannfutter (23), das dafür ausgebildet ist, die zweite Fläche (23S) bereitzustellen, die dafür ausgebildet ist, unter Anlegung von Bondungsdruck an den mindestens einen Halbleiterwafer mit der ersten Fläche (21S) in Kontakt gebracht zu werden; und eine Reaktionsplatte (2401), die über dem Spannfutter (23) angeordnet und dafür ausgebildet ist, eine Verformung der oberen Blockanordnung (20) zu reduzieren, wobei die Reaktionsplatte (2401) Folgendes umfasst: ein monolithisches Plattenelement; und mehrere konzentrische Nuten, die in dem monolithischen Plattenelement definiert und dafür ausgebildet sind, eine entsprechende Mehrzahl von Dichtungen (2402-2407) aufzunehmen; und die Vorrichtung des Weiteren mehrere Ports umfasst, die dafür ausgebildet sind, druckbeaufschlagtes Gas zu mehreren Regionen der Reaktionsplatte (2401) zu leiten.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei: die mehreren konzentrischen Nuten der Reaktionsplatte (2401) Folgendes umfassen: eine erste Nut; eine zweite Nut, die konzentrisch außerhalb der ersten Nut liegt; eine dritte Nut, die konzentrisch außerhalb der zweiten Nut liegt; und eine vierte Nut, die konzentrisch außerhalb der dritten Nut liegt; und die mehreren Ports dafür ausgebildet sind, druckbeaufschlagtes Gas zu den mehreren Regionen der Reaktionsplatte (2401) dergestalt zu leiten, dass: beim Bonden von 4 Zoll-Halbleiterwafern druckbeaufschlagtes Gas zu einer ersten Region geleitet wird, die zwischen der ersten Nut und der zweiten Nut definiert ist; beim Bonden von 6 Zoll-Halbleiterwafern druckbeaufschlagtes Gas zu der ersten Region und einer zweiten Region geleitet wird, die zwischen der zweiten Nut und der dritten Nut definiert ist; und beim Bonden von 8 Zoll-Halbleiterwafern druckbeaufschlagtes Gas zu der ersten Region, der zweiten Region und einer dritten Region geleitet wird, die zwischen der dritten Nut und der vierten Nut definiert ist.
  17. Vorrichtung nach Anspruch 15 oder Anspruch 16, wobei in der Reaktionsplatte (2401) ein Ausschnitt definiert ist, der dafür ausgebildet ist, an dieser Stelle ein Durchbiegen der Reaktionsplatte (2401) zu gestatten.
  18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei die obere Blockanordnung (20) des Weiteren eine Wärmeisolierplatte umfasst, die zwischen der Reaktionsplatte (2401) und dem Spannfutter angeordnet ist.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Wärmeisolierplatte mehrere keilförmige Stücke umfasst, die physisch voneinander getrennt sind und dafür ausgebildet sind, sich mit Bezug aufeinander zu bewegen.
  20. Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei die mehreren keilförmigen Stücke dafür ausgebildet sind, in einer kreisförmigen Weise angeordnet zu werden, wobei die Scheitelpunkte zu einem gemeinsamen Mittelpunkt weisen.
  21. Vorrichtung nach Anspruch 19 oder Anspruch 20, wobei mindestens eines der keilförmigen Stücke mehrere erhöhte Vorsprünge umfasst, die sich von seiner Oberfläche erstrecken, wobei die erhöhten Vorsprünge um die Oberfläche herum voneinander beabstandet sind.
  22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei mindestens eines der keilförmigen Stücke ein monolithisches Element bildet.
  23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 19 bis 22, wobei mindestens eines der keilförmigen Stücke ein polylithisches Element bildet, umfassend: einen unteren Plattenabschnitt; und einen oberen Plattenabschnitt, der dafür ausgebildet ist, über dem unteren Plattenabschnitt angeordnet und mit diesem wirkgekoppelt zu werden, dergestalt, dass ein Vakuum in einem Hohlraum aufrecht erhalten werden kann, der zwischen dem unteren Plattenabschnitt und dem oberen Plattenabschnitt definiert ist.
  24. Vorrichtung nach Anspruch 23, wobei der untere Plattenabschnitt mehrere erhöhte Vorsprünge umfasst, die an seiner Innenfläche angeordnet sind und sich in Richtung des oberen Plattenabschnitts innerhalb des Hohlraums erstrecken, der zwischen dem unteren Plattenabschnitt und dem oberen Plattenabschnitt definiert ist, wobei die erhöhten Vorsprünge um die Innenfläche des unteren Plattenabschnitts herum voneinander beabstandet sind.
  25. Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei die Wärmeisolierplatte Folgendes umfasst: einen unteren Plattenabschnitt; und einen oberen Plattenabschnitt, der dafür ausgebildet ist, über dem unteren Plattenabschnitt angeordnet und mit diesem wirkgekoppelt zu werden, dergestalt, dass ein Vakuum in einem Hohlraum aufrecht erhalten werden kann, der zwischen dem unteren Plattenabschnitt und dem oberen Plattenabschnitt definiert ist.
  26. Vorrichtung nach Anspruch 25, wobei der untere Plattenabschnitt mehrere erhöhte Vorsprünge umfasst, die an seiner Innenfläche angeordnet sind und sich in Richtung des oberen Plattenabschnitts innerhalb des Hohlraums erstrecken, der zwischen dem unteren Plattenabschnitt und dem oberen Plattenabschnitt definiert ist, wobei die erhöhten Vorsprünge um die Innenfläche des unteren Plattenabschnitts herum voneinander beabstandet sind.
  27. Vorrichtung nach Anspruch 25 oder Anspruch 26, wobei mindestens einer des unteren Plattenabschnitts und des oberen Plattenabschnitts ein monolithisches Element bildet.
  28. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 bis 27, wobei die Wärmeisolierplatte dafür ausgebildet ist, ein nachgebendes Durchbiegen von etwa 50 µm oder weniger zu ermöglichen.
  29. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Nivellierungseinstellsystem des Weiteren mindestens eine Kraftmessdose (2301) umfasst, durch die mindestens einer des ersten Gewindepfostens (2101) und des zweiten Gewindepfostens (2101) eingefügt wird.
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