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Hintergrund der Erfindung
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen silizium-gebondeten
Wafer, und die Messmethode zur Messung der Dicke des oberen Wafers während oder
nachdem er gedünnt
wurde.
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2. Beschreibung des zugehörigen Hintergrunds
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In
der Technologie des Bondens von Halbleiterwafers existiert ein Verfahren,
in dem zwei Wafers zusammen gebondet werden, um einen neuen Wafer zu
bilden, das heißt,
zwei Silizium-Wafers (mit Siliziumoxid, Siliziumnitrid oder nichts
auf der Oberfläche derselben)
werden durch die Van-der-Waals-Kräfte in denselben miteinander
verbunden und dann bei hoher Temperatur gebondet. Der neue Wafer,
bei welchem die Dicke des oberen Wafers durch einen Poliervorgang
zu einer bestimmten Dicke gedünnt
wird, so dass er zu einer Dünnschicht
auf dem neuen Wafer wird, und ein neuer Wafer mit einer neuen Struktur kommt
zustande. Er kann für
die Geräte
bereitgestellt werden, die den Wafer mit solcher Struktur für die darauffolgenden
Vorgänge
erfordern. In dem Poliervorgang ist es eine sehr wichtige Vorgehensweise,
dass die Dicke gemessen wird, nachdem der obere Wafer gedünnt worden
ist, und die Wafers dann entsprechend der Spezifikationen derselben
sortiert werden.
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In
den Fertigungsprozessen für
MEMS-Geräte
werden für
viele Zwecke Membranen eingesetzt. Die Eigenschaften der MEMS-Geräte, zum
Beispiel der Drucksensoren und der Beschleunigungsmesser, haben
mit der Dicke der Membran zu tun. Nach dem Vorgang zum Bonden der
beiden Silizium-Wafers wird einer der Wafers poliert und gedünnt, und
eine Membran wird gebildet. Was die Messung der Waferdicke betrifft,
gibt es zwei Arten von Methoden für die Messung, wie folgt:
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Die
erste ist eine Messmethode, die einen Polierer mit einem Kontakt-Höhenmessgerät verwendet.
Zuerst wird die Dicke des Wafers durch das Höhenmessgerät gemessen, dann wird die zu
entfernende Dicke berechnet, und danach wird die Polierzeit des
Polierers entsprechend der verwendeten Abtragungsrate des Polierers
eingestellt. So erhält
man einen Wafer mit der erwarteten Dicke, und dieser wird dann zur
Bestimmung der Spezifikationen wiederum mit dem Höhenmessgerät gemessen.
Solch eine Methode wird üblicherweise
in industriellen Kreisen angewandt. Während jedoch eine Mehrzahl
von Wafers zu polieren sind, da die Dicken der Wafers um einige bis
einige zehn μm
variieren und da die Variation der abgeleiteten Spannung und der
Abtragungsrate die Ergebnisse des Polierens beeinflussen würde. Aus den
obigen Gründen
variiert die Dicke der polierten Wafers um einige zehn μm. Eine Methode,
die allgemein angewandt wird, um einen Wafer mit präziserer Dicke
zu erhalten, besteht darin, die Wafers zu sortieren, indem man die
Dicke misst. Da aber die beiden Wafers gebondet sind, ist es schwierig,
die Dicke des gedünnten
oberen Wafers einzeln zu messen.
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Die
zweite ist eine kontaktfreie instantane optische Messmethode. Sie
nutzt ein Phänomen
aus, dass bei Beleuchtung der Oberfläche des zu messenden Materials
mit einer Lichtquelle ein Teil des Lichts von dem ersten Material
reflektiert werden würde
(nämlich
empfangenes Reflexionssignal 1), und ein weiterer Teil des Lichts
durch das erste Material transmittiert werden würde. Sobald das Licht in Kontakt
mit dem zweiten Material kommt, das sich vom ersten Material unterscheidet,
erfolgen wiederum Reflexion und Transmission. Da das reflektierte Licht
aus den zu messenden Materialien transmittiert wird (nämlich empfangenes
Reflexionssignal 2), empfängt
der Sensor zwei parallele optische Reflexionssignale, und die Dicke
der zu messenden Materialien kann sofort ermittelt werden. Diese
Methode kann auf chemisch-mechanisches Polieren angewandt werden,
insbesondere für
die Materialschicht zur Verbesserung der Oberflächenglätte. Sie ist jedoch keine geeignete
Methode zur unabhängigen Messung
der reduzierten Dicke einer einzelnen Schicht der beiden gebondeten
Wafers, welche aus demselben Material aus Silizium bestehen.
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Dementsprechend
stellt die vorliegende Erfindung eine Messmethode zur Messung der
Dicke einer einzelnen Schicht der Silizium-Wafers, die nach dem
Bonden gedünnt
werden, bereit. Da das Silizium-Gitter die Eigenschaft des anisotropen Ätzens aufweist
(wie in 1 gezeigt, ist in einer KOH-Lösung die Ätzrate von
Silizium (100) viel größer als
die von Silizium (111)). Mehrere Inspektionsmuster mit verschiedener
Größe werden
auf einer Seite des Wafers erzeugt, und dann werden, nachdem er
eine bestimmte Zeit lang mikrobearbeitet worden ist, mehrere V-Nuten
verschiedener Tiefe zur Inspektion gebildet. Das V-Nut-Inspektionsmuster
ist in 1 gezeigt, und der eingeschlossene Winkel zwischen dem
Silizium (100) und dem Silizium (111) beträgt 54,7°. Die tatsächliche
Dicke des oberen Wafers nach dem Polieren lässt sich berechnen, indem die Größe der Spalte
der polierten V-Nuten
gemessen wird, und dann wird er nach der verbleibenden Dicke sortiert.
Für die
MEMS-Mikrosensorgeräte,
beispielsweise silizium-basierte piezoresistive Drucksensoren oder
Beschleunigungsmesser usw., deren Ausgangssignale mit der Dicke
der Membran zu tun haben, kann der polierte obere Wafer durch Anwendung
dieser Methode präzise
nach Dicke sortiert werden. Demzufolge lassen sich die mikromechanischen Geräte mit ähnlicher
Ausgangssignalgröße erreichen.
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3. Beschreibung
des Standes der Technik
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Einige
Messungen für
die polierte Dicke eines Wafers sind bereits offenbart worden, beispielsweise
die mechanische Kontaktmessung oder die optische kontaktfreie Messung,
und sie werden im folgenden beschrieben:
- (1)
In der Dickemessung in einem Vorgang zum Polieren eines hinteren
Wafers des von P. W. Tsai et al. offenbarten taiwanesischen Patents
Nr. 359,746, in dem eine mechanische Messung angewandt wird. Die
insgesamte Waferdicke lässt sich
durch eine mit dem Wafer 20 in Kontakt geratende Diamantsonde 21 messen;
dann werden die erhaltenen Signale durch den Messstab 22 an den
Signaldetektor innerhalb des Messkastens 23 übermittelt.
Siehe 2 und Referenz (1) für Einzelheiten.
- (2) In dem chemisch-mechanischen Poliervorgang des von Trung
T. Doan offenbarten US-Patents Nr. 6,301,006, in dem die kontaktfreie
instantane optische Messung zur Messung der Dicke angewandt wird.
Der Wafer 30 wird in den Waferträger 31 eingesetzt.
Dann werden die Messoberflächen
auf dem Waferträger
von dem darüberliegenden
Detektor detektiert, um die Parameter auf der Waferdicke und die
Abtragungsrate während
des Polierens des Wafers zu messen. Siehe 3 und Referenz
(2) für
Einzelheiten.
- (3) In dem chemisch-mechanischen Polieren des von C. L. Lin
et al. offenbarten US-Patents
Nr. 6,071,177, in dem die Dicke durch kontaktfreie instantane optische
Messung gemessen wird, insbesondere für die Kontrolle über die
Silika-Schichtdicke
für das
Polieren des Silizium-Wafers. Ein optisches Detektormodul 41 wird
unter die lichtdurchlässige
Polierscheibe platziert, und dann wird der Wafer um den Mittelpunkt
der Polierscheibe gedreht. Sobald der Wafer 40 das optische
Detektormodul 41 durchläuft,
wird die Schichtdicke gemessen. Siehe 4 und Referenz
(3) für
Einzelheiten.
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Bei
Anwendung der oben offenbarten Methoden kann die Dicke einer einzelnen
Schicht der beiden Wafers, welche aneinander gebondet und poliert sind,
nicht effektiv gemessen werden. Daher ist eine neue Methode zur
Messung der Dicke des polierten Wafers erforderlich, um die von
den Dickevariationen des oberen Silizium-Wafers verursachten Eigenschaftsvariationen
der Sensoren zu überwinden.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue Messmethode
für die
polierte Dicke des Wafers bereitzustellen. Da die dünnen Silizium-Wafers
beim Bonden der Wafers leicht brechen, sind dickere Wafers zum Bonden
und darauffolgenden Polieren erforderlich. In der vorliegenden Erfindung
werden anfänglich
vor dem Bonden der Wafers mehrere Muster verschiedener Größe durch
einen photolithographischen Prozess gebildet, und dann werden die
V-Nut-Muster durch Mikrobearbeitung für die Inspektion nach dem Bonden
und Polieren der Wafers gebildet. Die Bereitstellung erfolgt durch
einen vereinfachten Fabrikationsprozess und Messung, und es wird
eine hochpräzise
Messung bereitgestellt. Bei Verwendung dieser Messmethode für die polierte
Dicke des Wafers kann der obere Wafer genauer nach Dicke sortiert
werden; somit ist sie anwendbar auf den darauffolgenden, für zwei gebondete
und polierte Wafer erforderlichen Mikrosensorprozess.
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Die
obigen Ziele und Vorteile werden durch die Erklärung der beiliegenden Zeichnungen
ersichtlich.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine Perspektivansicht, die den Aufbau einer durch anisotropes Ätzen erzeugten V-Nut
auf einem Wafer zeigt.
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2 ist
eine Perspektivansicht, die ein Messgerät für Waferdicke zeigt, das in
R. O. C.-Patent
Nr. 359,746 offenbart ist.
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3 ist
eine Perspektivansicht, die ein Messgerät für Waferdicke zeigt, das in
US-Patent Nr. 6,301,006
offenbart ist.
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4 ist
eine Perspektivansicht, die ein Poliergerät zeigt, das in US-Patent Nr.
6,071,177 offenbart ist.
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5A und 5B sind
die Flussdiagramme, die die Fabrikationsprozesse des Waferpolierens und
der Dickeinspektion gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigen.
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6 zeigt
das Verhältnis
zwischen dem polierten Wafer und dem Spalt der V-Nut zur Inspektion zur
Berechnung der verbleibenden Dicke.
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7 ist
eine Perspektivansicht, die den Wafer zeigt, der mit dem Fabrikationsprozess
der Dickeinspektionsmuster bearbeitet wird, wird auf die Mikrosensorgeräte angewandt.
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Detaillierte
Beschreibung der bevorzugten Ausführung
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Es
wird nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen eine Ausführung der
vorliegenden Erfindung im Einzelnen erklärt. Hier wird ein Silizium-Substrat
als das Material der Struktur verwendet. Auf einer Seite des oberen
Wafers werden mittels Photolithographie Dichteinspektionsmuster
definiert, und die Inspektionsmarken werden durch anisotropes Ätzen hergestellt.
Dann wird der obere Wafer mit einem anderen Wafer gebondet. Danach
wird die andere Seite des oberen Wafers poliert, und die verbleibende
Dicke wird mittels der auf der ersten Seite des oberen Wafers hergestellten
Inspektionsmarken präzise
bestimmt. Somit kann die durch Polieren des Silizium-Wafers erreichte
Membrandicke genau sortiert werden.
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Nichtsdestoweniger
muss die praktische Herstellung des Geräts nicht notwendigerweise genau
dem oben erwähnten
Prozess unterliegen. Es ist ersichtlich, dass viele andere Variationen
möglich wären, ohne
von dem grundlegenden Ansatz abzuweichen, der in der vorliegenden
Erfindung dargelegt wird.
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Beispiel 1
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5A und 5B sind
die Flussdiagramme des Inspektionsprozesses für polierte Wafers. Dickeinspektionsmuster 210, 220 und 230 werden auf
eine erste Seite des Silizium-Subtrats 1 (mit Siliziumoxid,
Siliziumnitrid oder nichts auf der Oberfläche) definiert, und die Photolithographie
findet statt. Dann werden unter Verwendung von KOH zur anisotropen
Nassätzung
die oben erwähnten
Muster 210, 220 und 230 als V-Nuten 211, 221 und 231 geätzt. Danach
wird die erste Seite des oben erwähnten Silizium-Substrats mittels
Silicon-Fusion-Bonding
mit einem weiteren Silizium-Substrat 3 (mit Siliziumoxid, Siliziumnitrid
oder nichts auf der Oberfläche)
gebondet. Nachdem die beiden Wafers miteinander gebondet werden,
wird der obere Wafer poliert, und dann wird ein dünnerer Wafer
gebildet; dies ist der Wafer für
die Herstellung des Mikrosensorgeräts. Der gebondete Wafer wird
von dem oberen Wafer bis zur V-Nut poliert, und ein quadratischer
Spalt wird auf der polierten Waferoberfläche erzeugt. Die Dicke der
Silizium-Membran kann entsprechend der Abmessung des Spalts genau
berechnet werden, und der gebondete Wafer kann entsprechend der
Dicke der Membran sortiert werden, um zu bestimmen, ob er im Rahmen
der Spezifikation liegt. Verglichen mit dem allgemeinen Messprozess
unter Verwendung eines Polierers wird gemäß der vorliegenden Erfindung
eine Dickemessung in gebondeten Wafers bereitgestellt, und ferner
kann seine Membran nach dem Polieren durch ein optisches Mikroskop
gemessen und sortiert werden.
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Die
Größe des Quadrats
des Dickeinspektionsmusters 210, 220 und 230 kann
wie in 5 gezeigt 28,3 μm, 26,9 μm bzw. 25,5 μm betragen.
Die Tiefen A, B und C der V-Nuten 211, 221 und 231 betragen
entsprechend der zugehörigen
Gleichung, von welcher der eingeschlossene Winkel zwischen Silizium
(100) und Silizium (111) 54,7° ist, 20,0 μm, 19,0 μm und 18,0 μm. Die Spalte der V-Nuten sind
mit einem Mikroskop zu beobachten, so dass die Abmessung derselben
gemessen werden kann. Vermittels der in 6 gezeigten
Geometriebeziehung lässt sich
die nach dem Polieren verbleibende Dicke des oberen Wafers bestimmen
zu Z = [(W1 – W2)/2]tan(54,7°).
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Die
Dicke des oberen Wafers kann berechnet werden, und der Wafer kann
dementsprechend sortiert werden, so dass keine Notwendigkeit besteht,
einen weiteren Messapparat anzuwenden, um die Waferdicke zu messen.
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Beispiel 2
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Zur
Zeit wird Silizium-Membran in den MEMS-Geräten üblicherweise als Erfassungsmechanismus
verwendet; so wendet beispielsweise ein aus Silizium bestehender
piezoresistiver Drucksensor Membran zur Erfassung der Druckvariation
an. Da die Empfindlichkeit für
Druck genau durch die Dicke der Silizium-Membran beeinflusst wird,
ist es sehr wichtig, ihre Dicke präzise zu kontrollieren, um die
Effizienz der Geräte
zu gewährleisten.
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Es
wird auf 7 Bezug genommen. Der Fabrikationsprozess
ist derselbe wie in Beispiel 1, nur dass die Hohlräume 403 ursprünglich durch
die Induction Coupling Plasma Reactive Ion Etching (ICPRIE)-Maschine
auf die zu bondende Seite des unteren Wafers 401 geätzt werden;
dann schließen sich
die darauffolgenden Vorgänge
des Bondens und Polierens an. Um die Dicke präzise zu kontrollieren, werden
die Dickemaßstäbe (20,0 μm, 19,0 μm und 18,0 μm) mittels
der Dickemessung der vorliegenden Erfindung auf den oberen Silizium-Wafer 404 fabriziert
und dann mittels Silicon-Fusion-Bonding mit dem unteren Silizium-Wafer mit geätzten Hohlräumen gebondet.
Danach wird der obere Wafer durch den Poliervorgang der verwendeten
Technologie gedünnt,
und die Dickemessung erfolgt. Somit wird eine Silizium-Membran mit
präziser
Dicke erzielt; eine solche Membran kann zur Erfassung des Druckunterschieds
von innen und außen
verwendet werden. Die Membrandicke gemäß dieser Ausführung beträgt d = 18,0 μm.
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Wie
oben beschrieben, die neue Messmethode für die Dicke des oberen Silizium-Wafers und Standards,
wobei keine Notwendigkeit besteht, komplizierte zusätzliche
Geräte
einzusetzen. Die praktische Dicke der Silizium-Membran kann anhand
der Größe der Spalte
der V-Nuten bestimmt werden, oder danach ob die Spalte existieren
oder nicht, um die gleichförmigen
Eigenschaften der Fühler
zu gewährleisten.
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Referenzen
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- (1) P. W. Tsai, W. J. Tseng, J. J. Lee und
T. T. Tsai, „a
Measurement Device for Wafer Thickness", Taiwan-Patent, Patentnummer: 359,746.
- (2) Trung T. Doan, "Endpoint
Detector and Method for Measuring a Change in Wafer Thickness", US-Patent-Nummer:
6,301,006 B1 (2001).
- (3) C. L. Lin, Tin Chung Wang, „Method and Apparatus for
Determining End Point in a Polishing Process", US-Patent-Nummer: 6,071,177 (2000).