EP2798670A1 - Verfahren und vorrichtung zum bonden von substraten - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a device for bonding first substrates with second substrates according to claim 1 and a corresponding method according to claim 7.
- the present invention is based on the basic idea, in particular using a standard bonding chamber, of bonding a plurality of substrate stacks arranged side by side on a carrier substrate in parallel or simultaneously from at least one first and one second substrate.
- An independent invention therefore provides an apparatus for bonding first substrates to second substrates having the following features:
- a receptacle for receiving one or in particular a plurality of carrier substrate / carrier substrates
- a placement device for placing a plurality of first substrates on a side of the substrate facing away from the receptacle
- Carrier substrate and a fixing device for fixing each of the first substrates on the substrate side to at least one fixing section of each first substrate.
- the fixation or prefixing thus serves primarily to transport the carrier substrate produced according to the invention, in particular to a separately provided bonding chamber.
- the fixing device is set up for the temporary fixing of each first substrate or that the first substrates are arranged on the first substrate
- the temporary fixation is also known by the term "tearing", with polymers, adhesives or the formation of eutectic alloys being available for temporary fixation according to the invention Alternatively, van der Waals connections between two polished surfaces can also be used are known in the art and are often produced and used for example between silicon oxide surfaces.
- the temporary fixation takes place in particular in such a way that the fixation is so strong that the carrier substrate with the substrate stacks temporarily fixed on it can be transported, without that on the
- the first substrates are prior to placement
- Aligned alignment marks which device according to a
- a placement device (or a separate placement device) is arranged for aligning and placing the first substrates on alignment marks. In this way, the placement of further (in each case second, possibly even further, ie third, fourth, etc.) substrates on the first substrates is accelerated.
- the second substrates in particular after alignment with alignment marks of the first substrates, are placed on the first substrates and / or, in particular temporarily, fixed.
- the second substrates are in each case bonded simultaneously with the first substrates, in particular permanently, in particular in a bonding chamber designed as a separate bonding module.
- FIG. 1 shows a plan view of a carrier substrate in a first
- Figure 2 is a plan view of the carrier substrate with placed first
- Figure 3 is a cross-sectional view taken along section line A-A of Figure 2 and
- Figure 4 is a cross-sectional view taken along section line A-A of Figure 2 after
- the alignment marks 3 can be detected by a placement device for placing a plurality of first substrates 2 on the substrate side ls such that the first substrates 2 can each be placed on an alignment mark 3 on the carrier substrate 1 (see FIG. 2).
- the first substrates 2 have one, in particular less than half the diameter D i, preferably less than one third of the diameter D i, more preferably less than one quarter of the diameter D i
- Embodiment 14 first substrates 2 on the substrate side l s
- the diameter of the first substrates deviates less than 50%, better still less than 25%, advantageously less than 15% or most preferably less than 5% of the diameter of the carrier substrates.
- the receptacle of the carrier substrates is designed so that it can simultaneously receive and fix a plurality of carrier substrates.
- Suitable fixatives are known in the art.
- vacuum fixation can be used. All other features and
- Method steps behave analogously to the exemplary embodiment with only a single carrier substrate having a diameter which is larger than that of the first substrates.
- a single carrier substrate having a diameter which is larger than that of the first substrates.
- Carrier substrates on the side facing away from the receiving device side ls provided one or more registration marks for alignment of the first substrates.
- the temporary fixation takes place in each case at least in a fixing section 2a of each first substrate 2, that is to say at least at one, in particular punctiform, fixing point.
- Fixing force the fixing of each j edes first substrate 2 at two or three fixing sections 2a, wherein in the case of a single fixing section 2a of the fixing 2a is arranged in the center of each first substrate 2 (see embodiment of Figure 2).
- the first substrates 2 of each row of first substrates 2, in particular equidistant from each other, are arranged distributed on the substrate side l s.
- each first substrate 2 has at least two
- Alignment marks 5 so that not only a translationally correct alignment of the first substrates 2 with the second substrates 2 'can take place, but also a rotationally correct orientation.
- Substrate stack 4 (in the embodiment shown 14 substrate stack 4) to the carrier substrate 1 prefixed such that the carrier substrate 1 can be transported with the substrate stacks 4 to a bonding chamber, not shown, where the substrate stacks 4 are permanently bonded simultaneously.
- an alignment accuracy when aligning the first and second substrates 2, 2 'as well as in aligning other substrates of in particular less than 100 ⁇ , preferably less than 50 ⁇ , more preferably less than 10 ⁇ , more preferably less than 2 ⁇ , feasible ,
- the temporary bond in particular automatically by the permanent bonding, preferably by temperature exposure, dissolved.
- these are gassed during bonding, in particular residue-free.
- prefixing and / or bonding is preferably a
- Carrier substrate 1 made of a material with a thermal
- Expansion coefficient which does not deviate more than 5% from the thermal expansion coefficient of the first and / or second substrates 2, 2 ', in particular of the same material.
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bonden von ersten Substraten (2) mit zweiten Substraten (2') mit folgenden Merkmalen: eine Aufnahme zur Aufnahme eines Trägersubstrats (1), einer Platzierungseinrichtung zur Platzierung mehrerer erster Substrate (2) auf einer von der Aufnahme abgewandten Substratseite (1s) des Trägersubstrats (1) und einer Fixiereinrichtung zur Fixierung jedes der ersten Substrate (2) auf der Substratseite (1s) an mindestens einem Fixierabschnitt (2a) jedes ersten Substrats (2). Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bonden von ersten Substraten (2) mit zweiten Substraten (2') mit folgenden Schritten, insbesondere folgendem Ablauf: Platzierung mehrerer erster Substrate (2) auf einer Substratseite (1s) eines auf eine Aufnahme aufgenommenen Trägersubstrats (1) und Fixierung jedes der ersten Substrate (2) auf der Substratseite (1s) an mindestens einem Fixierabschnitt (2a) jedes ersten Substrats (2).
Description
Verfahren und Vorrichtung zum Bonden von Substraten
B e s c h r e i b u n g
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bonden von ersten Substraten mit zweiten Substraten gemäß Patentanspruch 1 sowie ein korrespondierendes Verfahren gemäß Patentanspruch 7.
Die Herstellung von Waferstapeln (stacks) aus mindestens zwei Substraten findet auf Bondinganlagen mit hohen Anschaffungskosten statt, wobei der Bondingprozess unter anderem hohe Temperaturen mit sich bringt und häufig zeitintensiv ist. Entsprechend besteht in der Halbleiterprozesstechnik das Problem eines geringen Durchsatzes, entsprechend hoher Stückkosten und ein hoher Energieverbrauch. Dieses Problem tritt in verstärktem
Ausmaß für Anwendungen auf, in denen sehr kleine Substrate verarbeitet werden sollen. Als klein können aus heutiger Sicht Substrate mit einem Durchmesser <= 6", insbesondere <= 4" und im Extremfall <=2" angesehen werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Bonden beziehungsweise Vorfixieren von Substraten
anzugeben, mit welchen ein erhöhter Durchsatz, geringere Stückkosten sowie eine Energieersparnis beim Bonden der Substrate ermöglicht wird.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 7 gelöst Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen auch sämtliche
Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den
Ansprüchen und/oder den Figuren angegebenen Merkmalen. Den
angegebenen Wertebereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und in beliebiger Kombination beanspruchbar sein.
Die vorliegende Erfindung basiert auf der Grundidee, insbesondere unter Verwendung einer Standard-Bondingkammer, mehrere, nebeneinander auf einem Trägersubstrat angeordnete Substratstapel j eweils aus mindestens einem ersten und einem zweiten Substrat parallel beziehungsweise gleichzeitig zu bonden.
Als eigenständige Erfindung ist daher eine Vorrichtung zum Bonden von ersten Substraten mit zweiten Substraten mit folgenden Merkmalen vorgesehen:
- einer Aufnahme zur Aufnahme eines oder insbesondere mehrerer Trägersubstrats / Trägersubstrate,
- einer Platziereinrichtung zur Platzierung mehrerer erster Substrate au einer von der Aufnahme abgewandten Substratseite des
Trägersubstrats und
- einer Fixiereinrichtung zur Fixierung j edes der ersten Substrate auf der Substratseite an mindestens einem Fixierabschnitt j edes ersten Substrats.
Als eigenständige Erfindung ist außerdem ein Verfahren zum Bonden von ersten Substraten mit zweiten Substraten mit folgenden Schritten,
insbesondere folgendem Ablauf vorgesehen:
- Platzierung mehrerer erster Substrate auf einer Substratseite eines auf einer Aufnahme aufgenommenen Trägersubstrats und
- Fixierung j edes der ersten Substrate auf der Substratseite an
mindestens einem Fixierabschnitt jedes ersten Substrats.
Durch die vorgenannte Vorfixierung mehrerer Substratstapel (stacks), jeweils zumindest bestehend aus einem ersten Substrat und einem zweiten Substrat, wovon jeweils mehrere an der Substratseite verteilt angeordnet sind, wird es ermöglicht, gleichzeitig mehrere Substratstapel zu bonden. Die Fixierung beziehungsweise Vorfixierung dient somit in erster Linie einem Transport des erfindungsgemäß hergestellten Trägersubstrats, insbesondere zu einer separat vorgesehenen Bondkammer.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die Fixiereinrichtung zur temporären Fixierung j edes ersten Substrats eingerichtet ist beziehungsweise dass die ersten Substrate auf der
Substratseite temporär fixiert werden. Die temporäre Fixierung ist auch unter dem Begriff„tacken" bekannt, wobei für die temporäre Fixierung Polymere, Klebstoffe oder die Bildung von eutektischen Legierungen erfindungsgemäß zur Auswahl stehen. Alternativ können auch Van-der- Waals Verbindungen zwischen zwei polierten Oberflächen genutzt werden. Derartige Verbindungen sind im Stand der Technik bekannt und werden
häufig beispielsweise zwischen Siliziumoxid-Oberflächen hergestellt und genutzt. Die temporäre Fixierung erfolgt insbesondere derart, dass die Fixierung so stark ist, dass der das Trägersubstrat mit den darauf temporär fixierten Substratstapeln transportierbar ist, ohne dass die auf dem
Trägersubstrat platzierten Substrate verrutschen oder abfallen.
Mit Vorteil werden die ersten Substrate vor der Platzierung an
Ausrichtungsmarken ausgerichtet, wobei vorrichtungsgemäß eine
Platziereinrichtung (oder eine separate Platziereinrichtung) zur Ausrichtung und Platzierung der ersten Substrate an Ausrichtungsmarken eingerichtet ist. Auf diese Weise wird die Platzierung weiterer (j eweils zweiter, gegebenenfalls noch weiterer, also dritter, vierter etc.) Substrate auf den ersten Substraten beschleunigt.
Entsprechend ist gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die zweiten Substrate, insbesondere nach einer Ausrichtung an Ausrichtungsmarken der ersten Substrate, auf den ersten Substraten platziert und/oder, insbesondere temporär, fixiert werden . Hierzu ist vorrichtungsgemäß die Platziereinrichtung und/oder eine separate Platziereinrichtung zur, insbesondere an Ausrichtungsmarken der ersten Substrate ausgerichteten, Platzierung mehrerer zweiter Substrate auf den ersten Substraten vorgesehen. Durch das Vorsehen von Ausri chtungsmarken ist eine zügige und exakte Positionierung der jeweiligen Substrate zueinander möglich, insbesondere wenn die Fixiereinrichtung zur, insbesondere temporären, Fixierung j edes auf einem ersten Substrat platzierten zweiten Substrats eingerichtet ist.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die zweiten Substrate j eweils gleichzeitig mit den ersten Substraten, insbesondere permanent, gebondet werden, insbesondere in einer als separates Bondmodul ausgebildeten Bondkammer. Somit wird die
oben beschriebene Vorfixierung dem zeitaufwendigen Bondschritt
entkoppelt, so dass ein höherer Durchsatz ermöglicht wird, wobei
gleichzeitig eine Energieersparnis durch Vorsehen einer auf das reine Bonden beschränkten Bondkammer möglich ist.
Soweit vorrichtungsgemäße Merkmale beschrieben worden sind, sollen diese auch als verfahrensgemäße Merkmale offenbart gelten.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung. Die Figuren zeigen j eweils in schematischer Darstellung:
Figur 1 eine Aufsicht auf ein Trägersubstrat in einem ersten,
erfindungsgemäßen Verfahrensschritt,
Figur 2 eine Aufsicht auf das Trägersubstrat mit platzierten ersten
Substraten gemäß einem zweiten erfindungsgemäßen
Verfahrensschritt und einer Schnittlinie A-A,
Figur 3 eine Querschnittsansicht gemäß Schnittlinie A-A aus Figur 2 und
Figur 4 eine Querschnittsansicht gemäß Schnittlinie A-A aus Figur 2 nach
Platzierung von zweiten Substraten auf den ersten Substraten.
In den Figuren sind Vorteile und Merkmale der Erfindung mit diese j eweils identifizierenden Bezugszeichen gemäß Ausführungsformen der Erfindung gekennzeichnet, wobei Bauteile beziehungsweise Merkmale mit gleicher oder gleichwirkender Funktion mit identischen Bezugszeichen
gekennzeichnet sind.
Gemäß Figur 1 sind auf einem Trägerwafer 1 mit einem Durchmesser D ] mehrere Ausrichtungsmarken 3 , insbesondere gleichmäßig, verteilt auf einer Substratseite l s des Trägerwafers vorgesehen. Die Ausrichtungsmarken 3 sind von einer Platziereinrichtung zur Platzierung mehrerer erster Substrate 2 auf der Substratseite l s derart erfassbar, dass die ersten Substrate 2 jeweils an einer Ausrichtungsmarke 3 auf das Trägersubstrat 1 platziert werden können (siehe Figur 2).
Die ersten Substrate 2 weisen einen, insbesondere weniger als die Hälfte des Durchmessers D i , vorzugsweise weniger als eindrittel des Durchmessers D i , noch bevorzugter weniger als einviertel des Durchmessers D i
betragenden Durchmesser D2 auf. Somit können am gezeigten
Ausführungsbeispiel 14 erste Substrate 2 auf der Substratseite l s
aufgebracht und temporär fixiert werden.
In einer alternativen Ausführungsform weisen die Trägersubstrate im
Wesentlichen denselben Durchmesser wie die ersten Substrate auf.
Insbesondere weicht der Durchmesser der ersten Substrate weniger als 50%, besser weniger als 25% mit Vorteil weniger als 15% oder mit größtem Vorzug weniger als 5% vom Durchmesser der Trägersubstrate ab . In diesem Ausführungsfall ist die Aufnahme der Trägersubstrate so ausgestaltet, dass sie mehrere Trägersubstrate gleichzeitig aufnehmen und fixieren kann.
Geeignete Fixiermittel sind dem Fachmann bekannt. Beispielsweise kann Vakuumfixierung zum Einsatz kommen. Alle weiteren Merkmale und
Verfahrensschritte verhalten sich analog zum Ausführungsbeispiel mit nur einem einzigen Trägersubstrat mit einem Durchmesser der größer ist als jener der ersten Substrate. Insbesondere sind auf den einzelnen
Trägersubstraten auf der der Aufnahmeeinrichtung abgewandten S eite l s eine oder mehrere Passmarken zur Ausrichtung der ersten Substrate vorgesehen.
Die temporäre Fixierung erfolgt j eweils zumindest in einem Fixierabschnitt 2a jedes ersten Substrats 2, also mindestens an einer, insbesondere punktförmigen, Fixierstelle. In einer Ausführungsform mit größerer
Fixierkraft erfolgt die Fixierung j edes ersten Substrats 2 an zwei oder drei Fixierabschnitten 2a, wobei im Falle eines einzigen Fixierabschnitts 2a der Fixierabschnitt 2a im Zentrum jedes ersten Substrats 2 angeordnet ist (siehe Ausführungsform gemäß Figur 2) .
Im Querschnitt durch die ersten Substrate 2 hindurch (siehe Figur 3 ) sind die ersten Substrate 2 j eder Reihe von ersten Substraten 2, insbesondere äquidistant zueinander, auf der Substratseite l s verteilt angeordnet.
In dem in Figur 4 gezeigten Verfahrensschritt werden zweite Substrate 2 ' , insbesondere jeweils einzeln, auf die ersten Substrate 2 platziert, wobei zur Platzierung Ausrichtungsmarken 5 auf den ersten Substraten 2 vorgesehen sind. Insbesondere weist jedes erste Substrat 2 mindestens zwei
Ausrichtungsmarken 5 auf, damit nicht nur eine translatorisch richtige Ausrichtung der ersten Substrate 2 mit den zweiten Substraten 2 ' erfolgen kann, sondern auch eine rotatorisch richtige Ausrichtung.
Nach Ausrichtung und Platzierung der zweiten Substrate 2 ' auf den ersten Substraten 2 sind auf dem Trägersubstrat 1 eine Vielzahl von aus j eweils den ersten Substraten 2 und den zweiten Substrat 2 ' bestehende
Substratstapel 4 (im gezeigten Ausführungsbeispiel 14 Substratstapel 4) an dem Trägersubstrat 1 derart vorfixiert, dass das Trägersubstrat 1 mit den Substratstapeln 4 zu einer nicht dargestellten Bondkammer transportiert werden kann, wo die Substratstapel 4 gleichzeitig permanent gebondet werden.
Erfindungsgemäß ist es an einer nicht gezeigten Ausführungsform denkbar, über den zweiten Substraten 2 ' j eweils weitere Substrate zu stapeln und
jeweils temporär zu fixieren, so dass sich Substratstapel mit mehr als zwei Substraten ergeben.
Dabei ist erfindungsgemäß eine Ausrichtungsgenauigkeit beim Ausrichten des ersten und zweiten Substrats 2, 2 ' sowie auch beim Ausrichten weiterer Substrate von insbesondere weniger als 100 μτη, vorzugsweise weniger als 50 μηι, noch bevorzugter weniger als 10 μιη, noch bevorzugter weniger als 2 μηι, realisierbar.
Während des Bondprozesses in der Bondkammer wird der temporäre Bond, insbesondere automatisch durch das permanente Bonden, vorzugsweise durch Temperaturbeaufschlagung, aufgelöst. Soweit Polymere und/oder Kleber zum temporären Bonden verwendet worden sind, werden diese beim Bonden, insbesondere rückstandsfrei, vergast.
Für die Vorfixierung und/oder das Bonden wird vorzugsweise ein
sogenannter Flip-Chip-Bonder verwendet.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung besteht das
Trägersubstrat 1 aus einem Material mit einem thermischen
Ausdehnungskoeffizienten, der nicht mehr als 5% von dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten der ersten und/oder zweiten Substrate 2, 2 ' abweicht, insbesondere aus demselben Material. Beispielhaft sind
Glaswafer oder Siliziumwafer als Trägersubstrat 1 und/oder erstes/zweites Substrat 2 , 2 ' verwendbar.
fahren und Vorrichtung zum Bonden von Substraten
B e z u g s z e i c h e nl i s t e
1 Trägersubstrat
ls Substratseite
2 erstes Substrat
2a Fixierabschnitt
V zweites Substrat
3 Ausrichtungsmarken
4 Substratstapel
5 Ausrichtungsmarken
Dl Durchmesser
D2 Durchmesser
Claims
1. Vorrichtung zum Bonden von ersten Substraten (2) mit zweiten
Substraten (2') mit folgenden Merkmalen: eine Aufnahme zur Aufnahme eines Trägersubstrats (1) oder mehrerer Trägersubstrate (1), einer Platzierungseinrichtung zur Platzierung mehrerer erster Substrate (2) auf einer von der Aufnahme abgewandten Substratseite (ls) des Trägersubstrats (1) / der Trägersubstrate (1) und einer Fixiereinrichtung zur Fixierung jedes der ersten Substrate (2) auf der Substratseite (ls) an mindestens einem Fixierabschnitt (2a) jedes ersten Substrats (2).
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , bei der die Fixiereinrichtung zur temporären Fixierung j edes ersten Substrats (2) eingerichtet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der Platziereinrichtung zur Ausrichtung und Platzierung der ersten Substrate (2) an
Ausrichtungsmarken (3) eingerichtet ist.
4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, bei der die Platziereinrichtung zur, insbesondere an Ausrichtungsmarken (5) der ersten Substrate (2) ausgerichteten, Platzierung mehrerer zweiter Substrate (2 ' ) auf den ersten Substraten (2) vorgesehen ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Fixiereinrichtung zur, insbesondere temporären, Fixierung j edes auf einem ersten Substrat (2) platzierten zweiten Substrats (2 ' ) eingerichtet ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5 , wobei eine, insbesondere als separates Bondingmodul vorgesehene, Bondkammer zum
gleichzeitigen, insbesondere permanenten, Bonden der ersten und zweiten Substrate (2, 2 ' ) vorgesehen ist.
7. Verfahren zum Bonden von ersten Substraten (2) mit zweiten Substraten (2 ' ) mit folgenden Schritten, insbesondere folgendem
Ablauf:
Platzierung mehrerer erster Substrate (2) auf einer Substratseite ( l s) eines auf eine Aufnahme aufgenommenen Trägersubstrats ( 1 ) und
Fixierung jedes der ersten Substrate (2) auf der Substratseite ( l s) an mindestens einem Fixierabschnitt (2a) jedes ersten Substrats (2).
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die ersten Substrate (2) auf der Substratseite ( l s) temporär fixiert werden.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei der die ersten Substrate (2) vor der Platzierung an Ausrichtungsmarken (3) ausgerichtet werden.
10. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 7 bis 9, wobei die zweiten Substrate (2 '), insbesondere nach einer Ausrichtung an
Ausrichtungsmarken (5) der ersten Substrate (2), auf den ersten
Substraten (2) platziert und/oder, insbesondere temporär, fixiert werden.
1 1 . Verfahren nach Anspruch 10, bei dem die zweiten Substrate (2 ' )
j eweils gleichzeitig mit den ersten Substraten (2), insbesondere permanent, gebondet werden, insbesondere in einer als separates
Bondmodul ausgebildeten Bondkammer.
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