EP3281220A1 - Substrathalter und verfahren zum bonden zweier substrate - Google Patents

Substrathalter und verfahren zum bonden zweier substrate

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EP3281220A1
EP3281220A1 EP15717136.4A EP15717136A EP3281220A1 EP 3281220 A1 EP3281220 A1 EP 3281220A1 EP 15717136 A EP15717136 A EP 15717136A EP 3281220 A1 EP3281220 A1 EP 3281220A1
Authority
EP
European Patent Office
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substrate
temperature
substrate holder
substrates
heat
Prior art date
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Pending
Application number
EP15717136.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Wagenleitner
Thomas PLACH
Jürgen Michael SÜSS
Jürgen MALLINGER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
EV Group E Thallner GmbH
Original Assignee
EV Group E Thallner GmbH
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Filing date
Publication date
Application filed by EV Group E Thallner GmbH filed Critical EV Group E Thallner GmbH
Publication of EP3281220A1 publication Critical patent/EP3281220A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H01L21/68—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere for positioning, orientation or alignment
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    • H01L24/00—Arrangements for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies; Methods or apparatus related thereto
    • H01L24/80—Methods for connecting semiconductor or other solid state bodies using means for bonding being attached to, or being formed on, the surface to be connected

Definitions

  • the present invention relates to a substrate holder, a system comprising such a substrate holder, a use of such a substrate holder, a method for bonding two substrates and a product, in particular a substrate stack, produced by such a method and a use of such a substrate holder for such a method.
  • metals are made by diffusion processes at high
  • run-out compensation Semiconductor industry, known as run-out compensation. This error will be explained in more detail below.
  • One of the biggest technical problems of permanently bonding two substrates is the alignment accuracy of the functional units between the individual substrates.
  • the substrates are aligned by alignment devices can be aligned very closely to each other, it can come during the bonding process itself to distortions of the substrates. Due to the resulting distortions, the functional units do not
  • the alignment inaccuracy at a particular point on the substrate may be a result of distortion, scaling error, lens aberration
  • Each functional unit is designed in the computer before the actual manufacturing process. For example, patterns, microchips, MEMS, or any other microstructure fabricatable structure are designed in a computer aided design (CAD) program.
  • CAD computer aided design
  • the differences are mainly due to hardware limitations, ie engineering problems, but very often due to physical limitations.
  • the resolution accuracy of a structure made by a photolithographic process is limited by the size of the apertures of the photomask and the wavelength of the light used. Mask distortions are transmitted directly into the photoresist.
  • Machine linear motors can only approach reproducible positions within a given tolerance, etc. It is therefore not surprising that the functional units of a substrate can not exactly match the structures constructed on the computer. All substrates therefore already have before
  • Bonding process a non-negligible deviation from the ideal state. If one now compares the positions and / or shapes of two opposite functional units of two substrates assuming that neither of the two substrates is distorted by a bonding process, then one notes that in general an imperfect coverage of the functional units already exists by the above-described mistakes of the ideal
  • the classical global overlay errors are the errors I. and IL type, which result from a translation or rotation of the two substrates to each other.
  • the translation or rotation of the two substrates generates a corresponding translational or rotational error for all, respectively opposite, functional units on the substrates.
  • a local overlay error arises location-dependent, mainly by elasticity and / or plasticity problems, in the present case mainly caused by the continuous
  • thermodynamic equilibrium is always present when all the intense thermodynamic quantities, in particular the temperature in the specific case, are the same for all the subsystems to be considered. In many cases, it is such that one of the substrates, in particular the substrate, which is fixed to the lower substrate holder, has an elevated temperature.
  • the second, lower substrate can heat the upper, first substrate, thermally stretch and above all, expose a very complicated heating profile.
  • the heating profile is determined by a temperature-time profile. In this case, even a very small temperature difference between the first and second substrate to a
  • the temperature of the upper substrate increases with decreasing distance between both substrates and remains constant for a short time in a saturation region, before it decreases by another process, in particular exponentially and then remains constant under unchanged boundary conditions.
  • the state of the art has the particular problem that the substrates are bonded together in temperature ranges in which the temperature changes as a function of time.
  • the bond wave is subject to different times, or in other words, different positions, different temperatures and thus produces the above-mentioned run-out errors.
  • the core of the invention consists in particular of the invention, in particular upper (hereinafter also referred to as the first substrate holder),
  • Substrate holder to be constructed so that any recorded heat controlled, in particular on the back of the substrate holder, dissipated and discharged there via a heat exchanger, so that heating of the fixed, in particular upper (hereinafter also called first substrate), substrate can be selectively adjusted.
  • first substrate heating of the fixed, in particular upper
  • Another important aspect of the invention is the targeted optimization of the thermal resistances of the system, in order to enable a targeted adjustment of the temperature difference ⁇ according to the invention.
  • This temperature difference ⁇ is generally a function of the time or distance between the two substrates.
  • This temperature range d is predominantly the temperature difference ⁇ in the temperature range of the temperature saturation of the lower substrate, this temperature range being designated d in the further course of the patent.
  • the temperature difference ⁇ should be kept constant.
  • the temperature difference ⁇ in particular in the temperature saturation region d, is therefore generally (i) determined by the thermal resistances and / or (ii)
  • Heating elements in particular a heater in the lower substrate holder, and / or (iii) by cooling elements, in particular a cooling fluid, specifically set.
  • the substrate holder has a fixing surface for holding a substrate, wherein the substrate holder has a heat conduction body for dissipating heat away from the fixing surface, preferably and / or for supplying heat to the fixing surface.
  • Another object of the present invention relates to a system for bonding a first substrate to a second substrate, comprising at least a substrate holder according to one of the preceding embodiments for supporting at least one of the two substrates. Reference is made in particular to the comments on the substrate holder.
  • Another object of the present invention relates to a use of a substrate holder according to the invention as the upper substrate holder.
  • Another, particularly independent, subject of the present invention relates to a method for bonding a first substrate to a second substrate, wherein the substrates are brought closer to each other in a first step, so that the temperature of the first substrate increases, wherein in a second step, the approach the substrates are stopped and the distance between the substrates is kept constant so that a constant temperature of the first substrate adjusts at a constant distance for at least a period of time, wherein in a third step within the period of time at a constant temperature of the first substrate, the two substrates, at least temporarily, be bonded together.
  • Another object of the present invention relates to a product
  • a substrate stack comprising a first substrate and a second substrate, wherein the substrates are bonded together by a method according to the invention.
  • Another object of the present invention relates to a use of such a substrate holder for holding a substrate during such a process.
  • the substrate holder especially the upper one, should be thermally coupled as well as possible to the ambient temperature. This can lead to an increase and / or dissipation of heat.
  • the upper substrate is heated by the lower substrate or the lower substrate holder.
  • Substrate holder is in particular designed so that its temperature profile, in particular the temperature profile of the upper substrate, can be adjusted specifically when approaching the lower substrate or the lower substrate holder.
  • the thermal resistances of the substrate holder according to the invention are in particular designed so that a temperature equalization of
  • the thermal resistances are therefore preferably minimized.
  • the cooling fluid is preferably the ambient atmosphere.
  • the temperature of the cooling fluid is therefore preferably the
  • Substrate holder or on, in particular upper, substrate can be determined in particular the optimum time for bonding, which is accompanied by an increase in throughput at the same time.
  • Coupling of the substrates to the substrate holder is preferably so efficient that the deviation of the temperature is negligible.
  • the temperature of the lower substrate with a heating lower substrate holder may be slightly lower than the temperature of the lower substrate holder.
  • Temperature of the upper substrate is generally slightly higher than that
  • the substrate holder according to the invention also referred to below as the sample holder, leads a possible amount of heat in a controlled manner to the rear side, where it is converted by a heat exchanger and removed by the substrate holder according to the invention. Furthermore, the large thermal mass of the, in particular upper, substrate holder ensures a
  • Temperature stabilization of, in particular upper, substrate so that thermal fluctuations of the immediate environment are minimized as far as possible. It is another important aspect of the invention that the comparatively large thermal mass is the temperature of the upper substrate or the
  • the substrate holder according to the invention can be used as upper and / or lower substrate holder.
  • the substrate holder according to the invention is designed, in particular, as an upper substrate holder, so that the upper, first substrate fixed on it is deformed in the direction of gravity, as long as it is not fixed, in particular over its entire surface.
  • the roughness of a surface is referred to several times.
  • Roughness is reported in the literature as either average roughness, square roughness or average roughness. The values determined for the average roughness, the square roughness and the average roughness
  • Roughness numerical ranges are to be understood as either average roughness, squared roughness, or averaged roughness.
  • the substrate holder according to the invention is capable of heating and / or cooling the particular upper, first, substrate.
  • Heat can be dissipated from the, in particular upper, first, substrate via the heat conduction body and can preferably be passed on to a cooling fluid.
  • the heat conduction body would be a heat sink.
  • the fluid would also be conceivable, however, for the fluid to be a heating fluid which gives off heat to the heat conduction body and thus heats the upper, first substrate.
  • the heat conduction body would be a heating body.
  • the cooling fluid is preferably the atmosphere of
  • the temperature of the cooling fluid is preferably the room temperature.
  • Heat conduction body in particular facing away from the fixing surface Side (hereinafter also called the back), ribs for the removal and / or supply of heat.
  • the ribs may in particular be arranged on the entire rear side of the heat conduction body, whereby an improved heat exchange can be made possible.
  • the ribs can be distributed along a larger surface called a ribbed surface.
  • the ribs may in particular be arranged perpendicular to the fixing surface.
  • the ribs are preferably arranged parallel to one another.
  • a heat conduction body as
  • Heat sink is used, it would be cooling fins.
  • a heat conduction body which serves as a heating body one could refer to the ribs as heating ribs, which conduct the heat from the fluid optimally in the heat conduction body.
  • the ribs are spoken.
  • the heat conduction body as a heat sink, the ribs are considered as cooling fins and the fluid as a cooling fluid.
  • the embodiments of the substrate holder according to the invention are preferably designed such that the ribs are located in an encapsulation, for example an enclosure.
  • the encapsulation preferably has at least two accesses. One of the entrances is used to supply the fluid, the second of the discharge. This makes it possible to flow the fluid continuously and above all spatially separated from the environment via the ribs of the heat conduction body.
  • Such a compact design also allows the separation of the embodiment of the invention from the surrounding components. If the cooling is gas cooling, in particular cooling with air, an inflow of the fins through a gas flow, in particular an air flow, via a blower may already be sufficient to ensure efficient cooling. In a very particularly preferred embodiment, the cooling fins are cooled only by the surrounding atmosphere.
  • the flow rate of the fluid is preferably controllable.
  • the flow rate is greater than l mm / s, preferably greater than lem / s, more preferably greater than 10cm / s, most preferably greater than 1 m / s.
  • the fluid can also be pressurized.
  • the pressure of the fluid preferably corresponds to the
  • the fluid can also be used under pressure. Then the pressure is greater than 1 bar, preferably greater than 2 bar, more preferably greater than 5 bar, most preferably greater than 10 bar, on
  • Encapsulation and thus to the ribs is preferably about
  • Hose systems connected to the accesses.
  • the substrate holder according to the invention in addition to the, discussed below, the heat conduction body and the heat exchanger on its back over
  • additional actively controllable cooling and / or heating elements have additional actively controllable cooling and / or heating elements. These additional cooling and / or heating elements are preferably in the
  • Inventive substrate holder in particular in the heat conduction body, installed. It would also be conceivable to attach the cooling and / or heating elements to the periphery of the heat conduction body in order to leave the heat conduction body as homogeneous as possible and not to generate thermal impurities by additionally installed components.
  • a heating element is preferably an induction heater. As the temperature compensation, however, only for relatively smaller
  • a cooling element could be additionally installed Peltier elements that are independent of the actual invention
  • Peltier elements are preferably outside of the heat conduction body
  • the heat conduction body is a component with the largest possible thermal mass.
  • the thermal mass is the product of the specific heat capacity and the mass of the body. With a constant density distribution, the mass can be replaced by the product of density and volume.
  • thermal mass is used predominantly in engineering. In the natural sciences, one mainly uses the more common concept of heat capacity.
  • the unit of heat capacity is J / K. It is a measure of a body's ability to heat at a certain level
  • Heat storage which can serve as a buffer element.
  • a temperature gradient generally drops above the heat conduction body when the temperature Tk of the cooling fluid used differs from the temperature of the upper substrate. Instead of the temperature gradient, an average temperature can also be considered.
  • the temperature of the cooling fluid is preferably kept constant during the process according to the invention, while the temperature gradient or the average temperature Tw changes generally.
  • the temperature Tw preferably always corresponds to the temperature of the upper substrate and deviates from this only marginally.
  • the temperature of the upper substrate, and of the inventive heat conduction body or of the entire upper substrate holder according to the invention would correspond to the temperature of the cooling fluid, in particular the ambient temperature, provided that the thermal resistance Rth4 between the two substrates is infinite would be great. By a finite value of the thermal resistance Rth4, however, a heat flow from the lower substrate to the upper substrate is possible.
  • Erfindungsgeraäß is of particular importance that the temperature difference ⁇ , especially during the temperature interval d, known and, above all, is selectively adjustable in order to reduce the run-out error or preferably completely eliminate it.
  • the heat conduction body Since it is an object of the invention according to the invention to dissipate the temperature as controlled as possible on the substrate, but also to stabilize it correspondingly strong, the heat conduction body has a
  • the kapiztician the heat conduction body is as large as possible in order to allow efficient storage of heat or
  • the specific heat capacity of the heat conduction body is in particular greater than 0.1 kJ / (kg * K), preferably greater than 0.5 kJ / (kg * K), more preferably greater than 1 kJ / (kg * K), on
  • the specific heat capacities can be converted into the absolute heat capacities by the above formulas with known density and geometry of the heat conduction body.
  • Heat conduction body material have the highest possible thermal conductivity.
  • the thermal conductivity is between 0.1 W / (m * K) and 5000 W / (m * K), preferably between 1 W / (m * K) and 2500 W / (m * K), more preferably between 10 W / (m * K) and 1000 W / (m * K), most preferably between 100 W / (m * K) and 450 W / (m * K).
  • copper the most widely used construction material for dissipating heat, has a thermal conductivity of about 400 W / (m * K).
  • the thermal conductivity determines how much energy is transported per unit of time over a distance at a given temperature difference. The transported energy or heat quantity per unit of time is called the heat flow.
  • the heat flux is greater than 1 J / s, preferably greater than 10 J / s, more preferably greater than 100 J / s, most preferably greater than 200 J / s, most preferably greater than 500 J / s.
  • the heat conduction body is preferably actively or passively cooled at its rear side.
  • a passive cooling takes place by radiation of the heat, in particular by a possible large surface.
  • the active cooling takes place via a Cooling fluid.
  • the cooling fluid may be a gas or a liquid.
  • the cooling fluids absorb the heat via the heat conduction body, are thereby heated and at the same time cool the heat conduction body.
  • the heated cooling fluid is preferably circulated in a cooling circuit and releases the heat at another point of the circulatory system, is thereby cooled again and supplied to the cooling circuit again.
  • cooling gases are used because they are easier to handle. Is it the cooling fluid to the
  • Heat transfer body in the ambient air The locally heated ambient air then distributes itself in the surrounding atmosphere and thus leads to a temperature equalization and cooling.
  • the distribution of heat over a larger surface increases the efficiency of the radiation or the heat transfer to the cooling fluid.
  • the surface can be further increased by deliberately increasing the roughness of the surface.
  • the roughness is greater than 10 nm, preferably greater than 100 nm, more preferably greater than 1 ⁇ , most preferably greater than 10 ⁇ , most preferably greater than 100 ⁇ .
  • the heat conduction body with an open porosity.
  • the pore size should be greater than 100 nm, preferably greater than 1 ⁇ , more preferably greater than 10 ⁇ , most preferably greater than 100 ⁇ , most preferably be around 1 mm.
  • the cooling fluid flows through the open porosity and, due to the large surface area, absorbs the heat even more efficiently. It would also be conceivable to provide only the ribs with an open porosity to further increase the surface of the ribs.
  • the main object of the substrate holder according to the invention in particular the
  • the substrate holder according to the invention leads the substrate to heat and / or dissipates heat, depending on whether the substrate is to be cooled and / or heated.
  • the substrate holder according to the invention allows in particular the targeted setting of a maximum temperature or the temperature difference ⁇ between the upper and the lower substrate and guarantees the
  • Temperature stability of the maximum temperature or the temperature difference .DELTA. ⁇ for a period of time in particular equal to, even more preferably greater than the time required for bonding of the two substrates.
  • Heat transfer body is placed. Heat-conducting body and fixing part are therefore two different but interconnected components. The most efficient thermal Ankoppiung both components is done by flat as possible surfaces. The roughness of the mutually contacting surfaces of the fixing part or the heat conduction body is less than 100 ⁇ , preferably less than 10 ⁇ , more preferably less than 1 pm, on
  • thermal transition can be achieved by the use of thermal conductive pastes.
  • the fixing surface is formed integrally with the heat conduction body.
  • Heat-conducting body itself is designed as a fixing part.
  • the heat conduction body and the fixing part or the fixing surface are made in one piece.
  • the substrate holder may have other components, but not further treated, shown or described, since they have the functionality of
  • Embodiment is an improved heat conduction possible because no
  • the substrate holder has at least one, in particular movable, preferably drivable, deformation element for deforming the substrate, the at least one deformation element preferably being centered in the substrate holder
  • the at least one deformation element can in particular be movable perpendicular to the fixing surface or to the fixed substrate,
  • the at least one deformation element is preferably designed such that the substrate is deformable away from the fixing surface.
  • the substrate holder or heat conduction body may be a,
  • the at least one deformation element in particular movable, preferably driven, is arranged, or which allows the access of the at least one deformation element, with which the fixed substrate can be deformed.
  • the at least one deformation element is for example
  • a nozzle in particular
  • the deformation element is operated or controlled in such a way that it is capable of deforming the substrate, at least locally, preferably in the middle, by targeted activation.
  • the deformation is there, from the side of the
  • deformation element preferably concave.
  • the deformation serves in particular for the detachment process of the substrate from the fixing part or from the fixing surface.
  • Heat conduction body in the fixing surface at least one recess and / or recess to ensure the lowest possible contact of the substrate to the fixing surface or to the material of the heat conduction body.
  • the effective fixing surface is that portion of the fixation surface that is actually in contact with the substrate.
  • at least one recess is arranged in the fixing surface, so that the substrate from the fixing surface
  • the advantage of this embodiment according to the invention is that impurities of the substrate are reduced by the surface of the heat conduction body.
  • a gas having a correspondingly high thermal conductivity and correspondingly high heat capacity can be introduced into the at least one recess and / or depression, in particular, flowed through.
  • the substrate is then fixed only to a few, in particular at the periphery and / or in the center, fixing elements.
  • nub-shaped (nubs) and / or needle-shaped and / or podium-shaped elements are arranged in the at least one depression, so that the substrate passes through these elements spaced apart from the fixing surface, which in particular can taper pointedly in the direction of the substrate. The elements reach to the
  • All disclosed embodiments of the invention are capable of fixing a substrate, in particular a wafer, more preferably a semiconductor wafer.
  • the fixation can be done by any fixing.
  • fixing elements for fixing the substrate are arranged in, on and / or on the fixing surface. It would be conceivable
  • vacuum fixings or vacuum webs also referred to below as vacuum channels.
  • the vacuum fixation consists of several
  • Vacuum channels which in vacuum openings on the fixing of the
  • Substrate holder end In another embodiment of the invention, the vacuum channels are connected to each other, so that an evacuation and / or flushing of
  • Vacuum channels can be done simultaneously.
  • Vacuum channel groups Each vacuum channel group can be customized
  • Substrate can be achieved.
  • inventive features in particular inventive features
  • multiple vacuum ports are arranged in a plurality of centered, radius-differing, circles to a vacuum channel group.
  • all vacuum channels of the same circuit are controlled simultaneously, so that the fixation and / or detachment of the substrate can begin centrally and can be steered progressively radially symmetrically outward. This results in a particularly efficient way of controlled
  • the heat flow between the heat source and the heat sink is decisively influenced by the thermal resistances.
  • Any statistical many-particle system, hence fluids such as gases and liquids, as well as solids, has a thermal resistance.
  • the definition of the thermal resistance is known to the person skilled in the art.
  • the thermal resistance is not a pure material parameter. It depends on the thermal conductivity, the thickness and the cross section. In the further course of the document, it is assumed that the heat flow always flows through the same cross section, so that the thermal resistance, with a constant cross section, is to be regarded as a function of the thermal conductivity and the thickness of the respective considered material.
  • the thermal resistance is abbreviated in the figures by Rth and an index.
  • Rth1 to Rth8 are the thermal resistances of the (i) lower substrate holder, (ii) the fluid or vacuum between the lower substrate holder and the lower substrate, (iii) the lower substrate, (iv) the fluid or vacuum between the two substrates, ( v) the upper substrate, (vi) the fluid or vacuum between the upper substrate and the upper substrate holder, (vü) the heat conduction body and (vni) the fluid flowing in particular between the cooling fins.
  • the heat flow is directly proportional to the applied temperature difference between the heat source and the heat sink.
  • the thermal resistance is the proportionality constant. It therefore applies
  • Rthl is minimized, especially by choosing a material with high thermal conductivity
  • Rth2 is minimized, in particular by the choice of a fluid with high thermal conductivity
  • Rth4 is maximized, in particular by the flushing with a gas of low thermal conductivity and / or a vacuum and / or by an optimized process control, in particular by a skilful choice of the distance,
  • Rth6 is minimized, in particular by the choice of a fluid with high thermal conductivity
  • Rth7 is minimized, in particular by the choice of a material with high thermal conductivity and / or
  • Rth8 is minimized, especially by choosing a fluid with high thermal conductivity.
  • the thermal resistances By maximizing the thermal resistance Rth4, the heat flow from the lower substrate to the upper substrate is minimized, preferably even completely interrupted. Since a complete interruption of the heat flow, however, is virtually unattainable, it is almost always to a
  • the temperature difference ⁇ is in particular less than 20 ° C, preferably less than 10 ° C, more preferably less than 5 ° C, most preferably less than 1 ° C, most preferably less than 0.1 ° C.
  • the temperature of the lower substrate should preferably be able to be set exactly by a heater in the lower substrate holder.
  • the temperature of the lower substrate should correspond to the temperature of the lower substrate holder.
  • the lower substrate holder becomes in particular to temperatures below 100 ° C., preferably below 75 ° C., more preferably below 50 ° C., most preferably below 30 ° C.
  • Temperature of the cooling fluid and / or the heat conduction body correspond.
  • the invention corresponds to the
  • the cooling fluid is in particular at temperatures below 100 ° C,
  • the ambient atmosphere is used as a cooling fluid and has it
  • the diameters of the substrates can not be changed.
  • Thermal conductivities and thicknesses of the substrates used are usually likewise predetermined by production conditions and can therefore usually not be used for the optimization according to the invention.
  • the correct choice of the thermal resistances according to the invention preferably minimizes the heat flow, in particular from the lower substrate to the upper substrate, and maximizes the heat flow from the upper substrate to the cooling fluid.
  • the temperature difference AT remains constant according to the invention.
  • a further aim of the choice of the thermal resistors according to the invention is, in particular, to keep the temperature of the upper substrate constant, in particular at ambient temperature, and therefore the
  • the heat source of the lower substrate At a constant temperature of the lower substrate holder, and thus of the lower substrate, this is equivalent to maintaining the temperature difference ⁇ between the upper and the lower substrate, in particular during the bonding process in the temperature range d. This is done primarily by maximizing the thermal resistance Rth4 between the substrates.
  • the temperature Tlu of the lower substrate should be able to be regulated as efficiently as possible by means of a heating device.
  • the temperature of the lower substrate holder is designated Tp.
  • the temperature Tp of the lower substrate holder is about each
  • temperature-time diagrams in particular a temperature, in particular the temperature T on, with the substrate holder according to the invention fixed substrate as a function of time t is shown (temperature graph). The temperature is displayed on the ordinate at the left edge of the temperature-time diagram.
  • a distance-time curve can be represented (distance graph), at which one can read, how large to one
  • the distance-time curve indicates distances from the mm to the nm range, it is preferably scaled in an integral manner.
  • the distance-time curve in the figures is shown with a linear scaling.
  • a Tt diagram for the fixed substrate
  • a Tt diagram for the substrate holder according to the invention could also be described.
  • the two Tt diagrams differ only marginally, especially in Reference to minimum deviations along the temperature axis, from each other.
  • Tt diagrams are therefore synonymous with temperature-time diagrams of the fixed substrate and / or the
  • Each diagram can generally be divided into six sections, in particular
  • the substrate is approached from a relatively large distance.
  • the distance between the two substrates in section a is greater than 1 mm, preferably greater than 2 mm, more preferably greater than 3 mm, most preferably greater than 10 mm, most preferably greater than 20 mm.
  • a movement of the substrate within the section a does not lead to an increase in temperature by the other, in particular lower, second, substrate or the other, in particular lower, second, substrate holder, which can generally be heated to a temperature above room temperature. If the distance between the two substrates is reduced to such an extent that an influence by heat radiation of the second, lower substrate or the second, lower substrate holder and / or the heat convection of the surrounding gas takes place at the upper, first, substrate, a moderate occurs
  • the distance between the two substrates is between 10 mm and 0 mm, preferably between 5 mm and 0 mm more preferably between 1 mm and 0 ⁇ , most preferably between 100 ⁇ and 0 ⁇ .
  • the heat leads to heating of the upper, first, substrate due to the small distance diameter ratio of substrate distance to substrate diameter.
  • the ambient gases heated by thermal radiation can no longer diffuse fast enough from the gap between the two substrates and therefore preferentially transfer the heat directly from the lower, second, substrate to the upper, first, substrate. Similar considerations apply to the heat radiation, which has practically only the possibility to reach the surface of the upper, first, substrate.
  • This area of strong heating of the substrate is referred to as the near approach area c.
  • the distance between the two substrates is here between 1 mm and 0 mm, preferably between 100 ⁇ and 0 ⁇ , more preferably between 10 ⁇ and 0 ⁇ , most preferably between 1 ⁇ and 0 ⁇ .
  • the transition of the temperature profile from the Nahan strictlyrungs Scheme c in a so-called temperature saturation region d is preferably carried out by a mathematically continuous as possible but not differentiable transition. It is also conceivable that the transition takes place continuously, so that a separation of the areas c and d can no longer be made clearly.
  • the shape of the temperature-time graph looks like a "shark's fin.” However, other forms would also be conceivable.
  • the bonding process according to the invention preferably takes place.
  • the translational approach of the substrates is stopped, that is, the distance between the substrates remains constant.
  • the upper, first substrate has a constant temperature T4o for a well-defined period of time tl, which corresponds to the length of the temperature saturation region d.
  • constant temperature T4o is a maximum temperature fluctuation of a maximum of 4 K, preferably a maximum of 3 K, more preferably a maximum of 2, on
  • the distance between the two substrates is constant in this range and is between 1 mm and 0 mm, preferably between 100 ⁇ and 0 ⁇ , more preferably between 10 ⁇ and 0 ⁇ , most preferably between 1 ⁇ and 0 ⁇ , in specific embodiments of the invention would be a further approximation of the two substrates in the area d also still possible. However, it must be ensured that there is still enough time left for the actual bonding process. Furthermore, in the temperature saturation region d, the temperature difference ⁇ between the lower and the upper substrate remains constant. The fluctuations in the temperature difference ⁇ are less than 4 K, preferably less than 3 K, more preferably less than 2 K, most preferably less than 1 K, on
  • the temperature difference ⁇ can be any temperature difference ⁇ .
  • Heat sources in particular the heater in the lower substrate holder, and / or the heat sinks, in particular the ühlfluid, be set exactly and reproducibly.
  • the time interval t1 during which the constant temperature T4o sets at a constant distance d3, is more than 5
  • Seconds preferably more than 10 seconds, more preferably more than 15
  • Seconds more preferably more than 20 seconds, most preferably more than 40 seconds. This advantageously remains sufficient time for the bonding process.
  • the time interval t1, the distance d3 and / or the constant temperature T4o are determined before the first step, in particular empirically, preferably taking into account the temperature of the second substrate, the materials of the substrate holder, the heat conduction body and / or the substrates and / or the approach speed.
  • the bonding process in particular the fusion bond process, requires a time span t2 which is, in particular, less than or equal to the time interval t1. It is an important aspect of the invention that the bonding process preferably takes place within the period of the temperature saturation region d at the given temperature T4o. This has the advantage that the bonding process can take place without the temperature of the first substrate changing, as a result of which the run-out errors described above can be avoided, at least reduced.
  • the upper, first, substrate in particular exponentieli, cools off.
  • all necessary physical parameters are determined which make it possible to obtain an exact statement about the temperature-time graph.
  • the method according to the invention must be modified by varying the physical parameters be until it was ensured that during the actual bonding process precisely that temperature-time profile is formed, which is an optimal connection of both
  • the system is calibrated for temperature-time behavior, it is also ensured that the top, first, substrate has a well-defined temperature at a well-defined time, and that from the beginning of reaching that temperature, a well-defined time exists to complete the actual bonding process can be done by a deflection and / or solution of, in particular caused by vacuum, fixation. Being able to bond early in the area d results in two fundamentally important ones
  • bonding can begin early, resulting in an immense increase in throughput, and second, it ensures that the substrate is extremely stable within a well-defined period of time
  • both substrates have a practically constant temperature during the time interval of the region d and practically do not change their temperature during the bonding process. It should again be explicitly mentioned in this context that the above circumstance of constant temperature does not mean that both substrates must have the same temperature. It may well be desirable to deliberately heat or cool at least one of the two substrates to a higher or lower temperature in order to pass through one Forced, forced thermal expansion to set a desired, forced substrate size, which leads to a congruence of the two functional units of both substrates. However, it is according to the invention to keep these once set temperatures constant during the bonding process.
  • the substrates can be pre-treated and / or post-treated.
  • a pre-treatment are especially in question
  • the embodiment according to the invention makes it possible, above all, to compensate for the run-out error known in the prior art.
  • the alignment accuracy that can be achieved by the system according to the invention or the process according to the invention is better than 100 ⁇ , preferably better than 10 ⁇ , more preferably better than 500 nm, on
  • Alignment accuracy is particularly equal at each position of the
  • Substrate stack which is a crucial and characteristic feature of a successful run-out error compensation.
  • the standard deviation of alignment accuracy obtained by averaging all registration errors of the
  • Substrate stack is determined is less than 1 ⁇ , preferably less than 500 nm, more preferably less than 250 nm, most preferably less than 100 nm, most preferably less than 50 nm.
  • the substrates are heat treated if necessary.
  • the heat treatment is necessary in particular for fusion-bonded substrates.
  • the heat treatment in this case leads to the generation of a permanent bond of both substrates, which can no longer be dissolved. If heat treatments of the substrates after the bonding process according to the invention are no longer necessary, it is dispensed with accordingly.
  • the bonding of the two substrates takes place in the region d by the deformation of one, in particular of the upper, first, substrate.
  • the deformation is preferably carried out centrally by the deformation element already described.
  • the advantage of the first process according to the invention is above all in throughput. Since the bonding process already takes place in the section d and does not have to wait for the cooling of the upper, first substrate, the throughput (therefore the number of substrates that can be processed per unit of time with the embodiment according to the invention) can be increased in contrast to the prior art become.
  • Substrate is the adaptation process to the ambient temperature, which is predefined primarily by the surrounding atmosphere and / or the lower, second, substrate or the lower second substrate stringer.
  • the bonding of the two substrates in the region f is effected by the deformation of one, in particular of the upper, first, substrate.
  • the deformation is preferably carried out centrally by the deformation element already described.
  • the temperatures T4o, T6o can be varied and optimally adapted by the substrate holder according to the invention, in particular by the thermal mass, the cooling elements and devices, the cooling processes, the cooling fluids, etc.
  • Figure 1 is a not to scale, schematic cross-sectional view
  • Figure 2 is a not to scale, schematic cross-sectional view
  • Figure 3 is a not to scale, schematic cross-sectional view
  • Figure 5 is a not to scale, schematic cross-sectional view
  • Figure 6a is a not to scale, schematic cross-sectional view
  • FIG. 6b is a schematic cross-sectional view, not to scale, of a second step
  • FIG. 6c shows a schematic cross-sectional representation, not to scale, of a third step
  • FIG. 6d shows a schematic cross-sectional representation, not to scale, of a fourth step
  • FIG. 6e is a schematic cross-sectional view, not to scale, of a fifth step
  • FIG. 6f shows a schematic cross-sectional representation, not to scale, of a sixth step
  • Figure 7a is a schematic representation of a first temperature time
  • Figure 7b is a schematic representation of a second temperature-time
  • Figure 8 is a schematic representation of possible overlay errors
  • Figure 9 is a schematic representation of a thermal equivalent circuit diagram.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of the invention
  • Substrate holder 1 comprising a fixing part 4 and a heat conduction body 2.
  • the fixing part 4 has fixing elements 5, in particular vacuum webs, more preferably individually controllable vacuum webs, by means of which a not shown first substrate 1 1 can be fixed to a fixing surface 4o.
  • the heat-conducting body 2 preferably has a plurality of ribs 3, which can deliver heat to an unillustrated fluid via their rib surface 3o.
  • the heat conduction body 2 is connected to the fixing element 4 via a
  • FIG. 2 shows a second, preferred embodiment according to the invention of a substrate holder according to the invention, comprising one
  • Heat conduction body 2 ' which also acts as a fixing part.
  • the heat conduction body 2 'and the fixing part are in one piece, in contrast to the embodiment of FIG. formed integrally or integrally. Thereby there is no interface between the fixing part and the
  • Heat conduction body 2 ' so that there is advantageously no thermal barrier, which hinders the removal of heat from the first substrate 11, not shown, to the fins 3 flowing around the fluid, not shown.
  • FIG. 3 shows a third, more preferred, invention
  • Embodiment of a substrate holder according to the invention 1 " which has a bore 7 in the heat conduction body 2".
  • the bore 7 allows the access of a deformation element 8, in particular of a mandrel, to the rear side 1 lo of a substrate 1, not shown. Otherwise, this embodiment corresponds to that of FIG. 2, so that reference is made to the description of this figure.
  • FIG. 4 shows a fourth embodiment of the invention
  • Inventive substrate holder 1 "' in addition to those mentioned in Figure 3
  • Features still on recesses 9 in the fixing surface 4o has to minimize the contact between the not shown back of the first substrate 1, not shown. This minimization serves to avoid, in particular metallic, contamination of the substrate by the fixing surface 4o. Furthermore, it serves to avoid local deformation of the substrate by particles.
  • the recesses 9 can be flooded with fluids of high heat capacity and / or thermal conductivity.
  • FIG. 5 shows a fifth embodiment of the invention
  • Inventive substrate holder 1 which in addition to the features mentioned in Figure 3 via recesses 9, which are filled with knobs and / or needles and / or pedestals 10, has the contact between the not
  • the depressions 9 can for
  • FIG. 6 a shows a first step of an exemplary method according to the invention, wherein initially a first, upper substrate 1 1 is located at a distance d 1 from a second, lower substrate 1 1 '. This process step takes place in previously defined area a of the associated T-t diagram.
  • the substrates 1 1, 1 1 ' approach each other, wherein the thermal influence of the upper, first substrate 11 by the lower, second substrate 1 1' and a lower substrate holder 14 due to the relatively large distance, as already described above, as far as possible is excluded.
  • the cooling is again an adaptation process of the temperature of the upper, first substrate 1 1 to the ambient temperature, in particular the temperature of the surrounding atmosphere, and / or the lower, second substrate 11 'or lower
  • Substrate holder 14 At this time, but already the connection of the two substrates 1 1, 1 ⁇ , in particular by a pre-bond.
  • FIG. 7 a shows a previously described temperature-time diagram, with the previously defined six characteristic temperature ranges a, b, c, d, e, f, which are indicated on the upper horizontal axis. On the lower horizontal axis, the time t is given in seconds, on the left
  • the temperature T is plotted in Kelvin.
  • the temperature graph 12 represents the temperature of the first substrate 11.
  • the temperature graph 12 ' represents the temperature of the heat conduction body 2, 2', 2 ", 2"', 2 IV more or less coincident with the temperature Tk of the cooling fluid. Prior to the approach of the two substrates 11, 1 1 'together, it also corresponds approximately to the temperature Tl o of the upper substrate 1 1.
  • the temperature graph 12 "represents the temperature of the second substrate 1 1'.
  • the temperature graph 12"' represents the temperature of If the thermal coupling between the second substrate 1 1 'and the lower substrate holder 14 is large enough, these two temperatures are almost identical.
  • a distance graph 13 is given, which indicates the distance d between the two substrates 1 1 and 1 ⁇ .
  • the distance graph 13 is to be interpreted exclusively symbolically and will in reality indicate a gentler transition from the region c into the region d, since the substrates j a are negative
  • the substrates can change their speed even in the approach phase.
  • Temperature difference ⁇ between the temperature of the lower substrate and the temperature of the upper substrate in the temperature saturation region d can by the thermal resistors and / or the heat source, in particular a heater in the lower sample holder 14, and / or a heat sink, in particular the
  • Cooling fluid to be set accurately and reproducibly.
  • the courses of the temperature graph 12 and the distance graph 13 during an exemplary method according to the invention are as follows: At the beginning of the method, ie on the far left on the time scale in the one with a
  • temperature range a the two substrates 1 1, 1 1 'approached each other, so that the distance d between the substrates 1 1, 1 1' is reduced.
  • the distance between the two substrates 1 1, 1 1 'dl which is successively reduced.
  • T l o the temperature of the first or upper substrate 1 1
  • the temperature range a is followed by the temperature range b, in terms of time, in which the temperature of the substrate 1 1 rises relatively low
  • the temperature range b is followed by the temperature range c, in which the temperature of the substrate 1 1 increases relatively sharply compared to the temperature range b (temperature curve section T3o), while the distance d between the substrates 11, 11 'is further reduced.
  • Temperature range c is the final practically constant distance d between the substrates 1 1, 1 1 'reached.
  • the temperature range c is followed by the temperature range d, in which the distance d remains constant and the temperature T4o of the first substrate 11 is practically constant.
  • This constant temperature T4o is maintained for a period tl.
  • Temperature range d (so-called bond area d) takes place abruptly.
  • the temperature range d is followed by the temperature range e, in which the temperature of the substrate 1 1 drops (temperature curve section T5o), while the distance d remains practically constant.
  • temperature range f is practically constant temperature of the substrate 1 1 before (see
  • FIG. 7b shows another temperature-time diagram, with the previously defined six characteristic temperature ranges a, b, c ⁇ d ⁇ e, f.
  • the distance graph 13 is identical to that of FIG. 7a.
  • the temperature graph 12 corresponds to that of FIG. 7a in the temperature ranges a, b, c, f, so that reference is made to the explanations for FIG. 7a for these ranges.
  • the difference from FIG. 7a is found in the regions c 'and d' in comparison to the regions c and d in FIG. 7a. In this example, the transition from the near approach region c 'into the bond region d' does not occur abruptly as in FIG. 7a but continuously.
  • FIG. 8 shows several in the diagrams I to VII, already above
  • Some of the overlay errors are known under the name run-out error.
  • the structures 15, 15 ' are indeed shape but not congruent.
  • the cause of such an error is (i) a fundamentally incorrect production of the structures 15, 15 'on the substrates 11, 11' and / or (ii) a distortion of the structures 15, 15 ', in particular due to a distortion of the substrates 1 1, 1 1 ', before bonding and / or (iü) distortion the structures 15, 15 ', in particular by a distortion of the substrates 11, 1 1', during bonding.
  • Another possibility is a global one
  • Figs. 8- ⁇ . shows another overlay error of two mutually rotated structures 15 and 15 * .
  • the rotation of the two structures 15 and 15 'to each other is exaggerated and makes in reality only a few degrees, in particular only a few tenths of a degree.
  • Substrates 1 1, 1 1 ' in particular radially from inside to outside increasingly be recognizable.
  • FIG. 9 shows a schematic, not to scale, sectional partial view of a substrate holder according to the invention with an equivalent circuit diagram of the thermal resistances Rth1 to Rth8 as described above.
  • the thermal resistances Rth1 to Rth3 should be minimal in order to allow a maximum heat conduction from the lower substrate holder 14, which in particular has a heating device (not shown), to the lower substrate 11 '.
  • a heating device not shown
  • the thermal resistance Rth4 should according to the invention a maximum s. In the, purely theoretical, ideal case of an infinitely large thermal resistance Rth4, no amount of heat would pass from the lower substrate 11 'to the upper substrate 11. Due to the finiteness of the thermal resistance Rth4 always a non-vanishingly small amount of heat from the lower substrate 1 1 'reaches the upper substrate 1 1. By the choice of a vacuum or a special
  • the thermal resistance Rth4 can be adjusted relatively easily and accurately.
  • the thermal resistances Rth5 to Rth8 should again be minimal in order to allow the maximum possible and therefore efficient heat conduction between the cooling fluid, in particular the atmosphere, and the upper substrate 11.
  • Substrate 1 1 and the temperature Tlu of the lower substrate 1 1 'during the bonding process in the temperature saturation region d is inventively especially by (i) the targeted selection of at least one of the thermal Resistors Rthl to Rth8 and / or (ii) the setting of the lower temperature Tlu ⁇ Tp, in particular by a heater in the lower substrate holder 14 and / or (iii) the setting of the upper temperature Tl o -Tk, in particular by the ühlfluid invention.

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Abstract

Es wird ein Substrathalter (1, 1', 1", 1'", 1IV), aufweisend eine Fixieroberfläche (4o) zur Halterung eines Substrats (11, 11') vorgeschlagen.

Description

Substrathalter und Verfahren zum Bonden zweier Substrate
B e s c h r e i b u n g
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Substrathalter, eine Anlage mit einem solchen Substrathalter, eine Verwendung eines solchen Substrathalters, ein Verfahren zum Bonden zweier Substrate und ein Produkt, insbesondere einen Substratstapel, hergestellt mit einem solchen Verfahren sowie eine Verwendung eines solchen Substrathalters für ein solches Verfahren.
In der Halbleiterindustrie werden Substrate, insbesondere Wafer, mit
unterschiedliche Verfahren zueinander ausgerichtet und miteinander verbunden. Den Prozess des Verbindens nennt man Bonden. Abhängig von den zu
verbindenden Materialien müssen unterschiedliche Bondtechnologien angewandt werden, um ein optimales Ergebnis zu erzielen.
So werden Metalle beispielsweise durch Diffusionsprozesse bei hohen
Temperaturen und hohen Drücken miteinander verbondet obwohl sich in den letzten Jahren auch Techniken zum Bonden bei Raumtemperatur mehr und mehr durchsetzen.
Substrate mit Oberflächen, deren Atome vorzugsweise kovalente Verbindungen ausbilden, werden direkt durch Adhäsionskräfte miteinander verbunden. Die Adhäsionskräfte steilen allerdings nicht die maximale Verbindungsstärke zwischen den Oberflächen dar, da es sich erstmal nur um eine van-der-Waals Bindung handelt. Durch entsprechende Prozesse, insbesondere Wärmebehandlungen, können derartige van-der-Waals B indungen in kovalente Bindungen umgewandelt werden. Bondprozesse, bei denen eine Verbindung zweier Oberflächen durch die
Ausbildung kovalenter Verbindungen erfolgt, werden als Fusionsbondprozesse bezeichnet. In den letzten Jahren stellt sich auch mehr und mehr heraus, dass vor allem die Maximierung der Kontaktoberfläche entscheidend zur Verbesserung eines solchen Bonds beiträgt. Daraus ergaben sich gänzlich neue Möglichkeiten um derartige Oberflächen auch bei Raumtemperatur, insbesondere ohne
Wärmebehandlung oder bei nur sehr leichter Temperaturerhöhung miteinander zu verbinden. Messungen haben jüngst ergeben, dass durch eine derartige
Optimierung Verbindungsstärken von nahezu der theoretischen Festigkeit der miteinander zu verbindenden Materialien erzielt werden kann.
Beim Fusionsbonden muss vor allem darauf geachtet werden, dass sich keines der beiden Substrate vor und/oder während und/oder nach der Ausrichtung,
insbesondere durch thermische Belastung, unkontrolliert dehnt. Eine Dehnung führt zu einer Vergrößerung oder Verkleinerung des Substrates und damit zu einer Verschiebung und/oder Misorientierung der zueinander auszurichtenden Merkmale, insbesondere Chips, des Substrats. Diese Verschiebung und/oder Misorientierung nimmt dabei im Allgemeinen vom Zentrum zum Rand hinzu. Der dadurch
entstehende Fehler ist im Stand der Technik, insbesondere aber in der
Halbleiterindustrie, unter dem Namen run-out bekannt. Die Kompensation des Fehlers nennt man run-out Kompensation. Dieser Fehler wird im Weiteren genauer erläutert.
Eines der größten technischen Probleme beim permanenten Verbinden zweier Substrate stellt die Ausrichtungsgenauigkeit der funktionalen Einheiten zwischen den einzelnen Substraten dar. Obwohl die Substrate durch Ausrichtungsanlagen sehr genau zueinander ausgerichtet werden können, kann es während des Bondvorgangs selbst zu Verzerrungen der Substrate kommen. Durch die so entstehenden Verzerrungen werden die funktionalen Einheiten nicht
notwendigerweise an allen Positionen korrekt zueinander ausgerichtet sein. Die Ausrichtungsungenauigkeit an einem bestimmten Punkt am Substrat kann ein Resultat einer Verzerrung, eines Skalierungsfehlers, eines Linsenfehlers
(Vergrößerungs- bzw. Verkleinerungsfehlers) etc. sein. In der Halbleiterindustrie werden alle Themenbereiche, die sich mit derartigen Problemen befassen unter dem Begriff„Overlay" subsumiert. Eine entsprechende Einführung zu diesem Thema findet man beispielsweise in: Mack, Chris. Fundamental Principles of Optical Lithography - The Science of Microfabrication. WILEY, 2007, Reprint 2012.
Jede funktionale Einheit wird vor dem eigentlichen Herstellprozess im Computer entworfen. Beispielsweise werden Leiterbahnen, Mikrochips, MEMS, oder jede andere mit Hilfe der Mikrosystemtechnik herstellbare Struktur, in einem CAD (engl.: Computer aided design) Programm entworfen. Während der Herstellung der funktionalen Einheiten zeigt sich allerdings, dass es immer eine Abweichung zwischen den idealen, am Computer konstruierten, und den realen, im Reinraum produzierten, funktionalen Einheiten gibt. Die Unterschiede sind vorwiegend auf Limitierungen der Hardware, also ingenieurstechnische Probleme, sehr oft aber auf physikalische Grenzen, zurückzuführen. So ist die Auflösungsgenauigkeit einer Struktur, die durch einen photolithographischen Prozess hergestellt wird, durch die Größe der Aperturen der Photomaske und die Wellenlänge des verwendeten Lichts begrenzt. Maskenverzerrungen werden direkt in den Photoresist übertragen.
Linearmotoren von Maschinen können nur innerhalb einer vorgegebenen Toleranz reproduzierbare Positionen anfahren, etc. Daher verwundert es nicht, dass die funktionalen Einheiten eines Substrats nicht exakt den am Computer konstruierten Strukturen gleichen können. Alle Substrate besitzen daher bereits vor dem
Bondprozess eine nicht vernachlässigbare Abweichung vom Idealzustand. Vergleicht man nun die Positionen und/oder Formen zweier gegenüberliegender funktionaler Einheiten zweier Substrate unter der Annahme, dass keines der beiden Substrate durch einen Verbindungsvorgang verzerrt wird, so stellt man fest, dass im Allgemeinen bereits eine nicht perfekte Deckung der funktionalen Einheiten vorliegt, da diese durch die oben beschriebenen Fehler vom idealen
Computermodell abweichen. Die häufigsten Fehler, werden in Figur 8
{Nachgebildet von: http://com.mons. wikimedia.org/wiki/File: Overlay _- _typical_model_terms DE.svg, 24.05.2013 und Mack, Chris. Fundamental
Principles of Optical Lithography - The Science of Microfabrication. Chichester: WILEY, p. 312, 2007, Reprint 2012) dargestellt. Gemäß den Abbildungen kann man grob zwischen globalen und lokalen bzw. symmetrischen und asymmetrischen Overlayfehlern unterschieden. Ein globaler Overlayfehler ist homogen, daher unabhängig vom Ort. Er erzeugt die gleiche Abweichung zwischen zwei
gegenüberliegenden funktionalen Einheiten unabhängig von der Position. Die klassischen globalen Overlayfehler sind die Fehler I. und IL Art, welche durch eine Translation bzw. Rotation der beiden Substrate zueinander entstehen. Die Translation bzw. Rotation der beiden Substrate erzeugt einen dementsprechenden translatorischen bzw. rotatorischen Fehler für alle, jeweils gegenüberliegenden, funktionalen Einheiten auf den Substraten. Ein lokaler Overlayfehler entsteht ortsabhängig, vorwiegend durch Elastizitäts- und/oder Plastizitätsprobleme, im vorliegenden Fall vor allem hervorgerufen durch die sich kontinuierlich
ausbreitende Bondwelle. Von den dargestellten Overlay Fehlern werden vor allem die Fehler III. und IV. als„run-out" Fehler bezeichnet. Dieser Fehler entsteht vor allem durch eine Verzerrung mindestens eines Substrats während eines
Bondvorgangs. Durch die Verzerrung mindestens eines Substrats werden auch die funktionalen Einheiten des ersten Substrats in Bezug auf die funktionalen
Einheiten des zweiten Substrats verzerrt. Die Fehler I. und II. können allerdings ebenfalls durch einen Bondprozess entstehen, werden allerdings von den Fehlern III- und IV. meistens so stark überlagert, dass sie nur schwer erkennbar bzw.
messbar sind.
Das größte Problem bei der Annäherung zweier Substrate besteht darin, dass sich die Umgebung im Allgemeinen nicht im thermodynamischen Gleichgewicht mit den Substraten befindet. Ein thermodynamiscb.es Gleichgewicht ist immer dann vorhanden, wenn alle intensiven thermodynamischen Größen, im speziellen Fall insbesondere die Temperatur, für alle zu betrachtenden Untersysteme gleich sind. In vielen Fällen ist es so, dass eines der Substrate, insbesondere das Substrat, welches am unteren Substrathalter fixiert wird, eine erhöhte Temperatur besitzt.
In vielen Fällen ist es erwünscht oder sogar beabsichtigt, für das untere Substrat eine andere, insbesondere höhere, Temperatur einzustellen als am oberen Substrat vorliegt, um die bereits genannten run-out Fehler der Substrate kontrolliert auszugleichen. Dabei kann es erforderlich sein, das untere Substrat entsprechend zu temperieren, insbesondere zu heizen oder zu kühlen.
Nähert man nun das erste, obere Substrat, welches auf dem erfindungsgemäßen Substrathalter fixiert wird, dem zweiten, unteren Substrat an, so kann das zweite, untere Substrat, insbesondere aber auch der gesamte untere Substrathalter, das obere, erste Substrat erwärmen, thermisch dehnen und vor allem einen sehr komplizierten Erwärmungsprofil aussetzen. Das Erwärmungsprofil wird durch einen Temperatur-Zeitverlauf ermittelt. Dabei kann bereits eine sehr geringe Temperaturdifferenz zwischen dem ersten und zweiten Substrat zu einer
nennenswerten Dehnung des oberen, ersten Substrats führen bzw. kann sich das obere, erste Substrat gemäß eines komplizierten Temperaturverlaufs erwärmen. Die Temperatur des oberen Substrats nimmt mit abnehmender Distanz zwischen beiden Substraten zu und bleibt für eine kurze Zeit in einem Sättigungsbereich konstant, bevor sie durch einen weiteren Prozess, insbesondere exponentiell abnimmt und danach bei unveränderten Randbedingungen konstant bleibt. Der Stand der Technik weist vor allem das Problem auf, dass die Substrate in Temperaturbereichen miteinander gebondet werden, in denen sich die Temperatur als Funktion der Zeit ändert. Damit unterliegt die Bondwelle zu unterschiedlichen Zeiten oder anders ausgedrückt, an unterschiedlichen Positionen, unterschiedlichen Temperaturen und erzeugt somit die oben genannten run-out Fehler.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile des Stands der Technik zu beseitigen und insbesondere einen verbesserten Substrathalter und ein verbessertes Verfahren aufzuzeigen, mit deren Hilfe der run-out Fehler
kompensiert, insbesondere gänzlich vermieden, werden kann.
Diese Aufgabe wird mit dem erfindungsgemäßen Substrathalter, der
erfindungsgemäßen Anlage, der erfindungsgemäßen Verwendung, dem
erfindungsgemäßen Verfahren und dem erfindungsgemäßen Produkt sowie der erfindungsgemäßen Verwendung gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen auch sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei in der Beschreibung, in den Ansprüchen und/oder den Zeichnungen angegebenen Merkmalen. Bei angegebenen Wertebereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart gelten und in beliebiger Kombination beanspruchbar sein.
Der Kern der Erfindung besteht insbesondere darin, den erfindungsgemäßen, insbesondere oberen (im Folgenden auch erster Substrathalter genannt),
Substrathalter so zu konstruieren, dass allfällig aufgenommene Wärme kontrolliert, insbesondere auf die Rückseite des Substrathalters, abgeführt und dort über einen Wärmetauscher abgegeben wird, damit eine Erwärmung des fixierten, insbesondere oberen (im Folgenden auch erstes Substrat genannt), Substrats gezielt eingestellt werden kann. Ein weiterer wichtiger Aspekt der Erfindung besteht in der gezielten Optimierung der thermischen Widerstände der Anlage, um eine erfindungsgemäß gezielte Einstellung der Temperaturdifferenz ΔΤ zu ermöglichen.
Es ist insbesondere ein wichtiger Aspekt der Erfindung, durch die geeignete Wahl von thermischen Widerständen eine gewünschte Temperaturdifferenz ΔΤ zwischen dem unteren und dem oberen Substrat einzustellen. Diese Temperaturdifferenz ΔΤ ist im Allgemeinen eine Funktion der Zeit bzw. des Abstandes zwischen den beiden Substraten. Erfindungsgemäß von Relevanz ist allerdings vorwiegend die Temperaturdifferenz ΔΤ im Temperaturbereich der Temperatursättigung des unteren Substrats, wobei dieser Temperaturbereich im weiteren Verlauf der Patentschrift mit d bezeichnet wird. In diesem Temperaturbereich d soll die Temperaturdifferenz ΔΤ konstant gehalten werden. Durch die gezielte Einstellung und Aufrechterhaltung der Temperaturdifferenz ΔΤ kann der nachteilige„run-out" Fehler vermindert oder sogar gänzlich eliminiert werden.
Die Temperaturdifferenz ΔΤ, insbesondere im Temperatursättigungsbereich d, wird im Allgemeinen also (i) durch die thermischen Widerstände und/oder (ii)
Heizelemente, insbesondere einer Heizvorrichtung im unteren Substrathalter, und/oder (iii) durch Kühlelemente, insbesondere einem Kühlfluid, gezielt eingestellt.
Erfindungsgemäß weist der Substrathalter eine Fixieroberfläche zur Halterung eines Substrats auf, wobei der Substrathalter einen Wärmeleitungskörper zur Abführung von Wärme von der Fixieroberfläche weg, bevorzugt und/oder zur Zuführung von Wärme zur Fixieroberfläche hin, aufweist.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft eine Anlage zum Bonden eines ersten Substrats mit einem zweiten Substrat, aufweisend mindestens einen Substrathalter nach einer der vorhergehenden Ausführungsformen zur Halterung mindestens eines der beiden Substrate. Dazu wird insbesondere auf die Ausführungen zum Substrathalter verwiesen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Substrathalters als oberer Substrathalter.
Ein anderer, insbesondere eigenständiger, Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bonden eines ersten Substrats mit einem zweiten Substrat, wobei die Substrate in einem ersten Schritt aneinander angenähert werden, sodass sich die Temperatur des ersten Substrats erhöht, wobei in einem zweiten Schritt die Annäherung der Substrate gestoppt und der Abstand zwischen den Substraten derart konstant gehalten wird, dass sich bei konstantem Abstand zumindest eine Zeitspanne lang eine konstante Temperatur des ersten Substrats einstellt, wobei in einem dritten Schritt innerhalb der Zeitspanne bei konstanter Temperatur des ersten Substrats die beiden Substrate, zumindest temporär, miteinander verbondet werden.
Dieser Umstand kann auch so beschrieben werden, dass in dem wohldefinierten Temperaturbereich d die Temperaturdifferenz ΔΤ zwischen den beiden Substraten konstant ist. Durch die korrekte Wahl der thermischen Widerstände ist
darüberhinaus die Größe der Temperaturdifferenz ΔΤ einstellbar.
Ein anderer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft ein Produkt,
insbesondere einen Substratstapel, aufweisend ein erstes Substrat und ein zweites Substrat, wobei die Substrate mit einem erfindungsgemäßen Verfahren miteinander verbondet sind. Ein anderer Gegenstand der vorliegenden Erfindung betrifft eine Verwendung eines solchen Substrathalters zur Halterung eines Substrats während eines solchen Verfahrens.
Im Allgemeinen soll der, insbesondere obere, Substrathalter thermisch so gut wie möglich an die Umgebungstemperatur angekoppelt werden. Dies kann zu einer Zu- und/oder Abfuhr von Wärme führen. Durch die Annäherung der beiden Substrate erwärmt sich insbesondere das obere Substrat durch das untere Substrat bzw. den unteren Substrathalter. Die große thermische Masse des, insbesondere oberen, Substrathalters, sowie dessen möglichst hohe thermische Leitfähigkeit, leitet die Wärme vom, insbesondere oberen, Substrat ab. Der erfindungsgemäße
Substrathalter ist dabei insbesondere so konstruiert, dass sein Temperaturprofil, insbesondere auch das Temperaturprofil des oberen Substrats, bei der Annäherung an das untere Substrat bzw. den unteren Substrathalter gezielt eingestellt werden kann.
Die thermischen Widerstände des erfindungsgemäßen Substrathalters sind dabei insbesondere so ausgelegt, dass eine Temperaturangleichung des
Wärmeleitungskörpers und damit des oberen Substrats an das Kühlfluid möglichst rasch und effizient erfolgt. Die thermischen Widerstände sind daher vorzugsweise minimiert. Bei dem Kühlfluid handelt es sich vorzugsweise um die umgebende Atmosphäre. Die Temperatur des Kühlfluids ist daher vorzugsweise die
Raumtemperatur.
Durch die Kenntnis des Temperatur-Zeitverlaufs iixi , ins besondere oberen,
Substrathalter bzw. am, insbesondere oberen, Substrat kann insbesondere der optimale Zeitpunkt zum Bonden, der gleichzeitig mit einer Durchsatzsteigerung einhergeht, bestimmt werden. Der entsprechende Prozess bzw. bzw. das
entsprechende Verfahren stellt ebenfalls einen wichtigen, insbesondere
eigenständigen, erfindungsgemäßen Aspekt des der Erfindung dar. Alle in der Patentschrift offenbarten Temperaturprofile können als
Temperaturprofile eines Substrats auf einem Substrathaiter oder als
Temperaturprofile des Substrathalters angesehen werden. Die thermische
Ankopplung der Substrate an die Substrathalter ist vorzugsweise so effizient, dass die Abweichung der Temperatur vernachlässigbar ist. In der Realität kann die Temperatur des unteren Substrats bei einem heizenden, unteren Substrathalter leicht geringer sein als die Temperatur des unteren Substrathalters. Die
Temperatur des oberen Substrats ist im Allgemeinen leicht höher als die
Temperatur des erfindungsgemäßen oberen Substrathalters. Die leichte
Temperaturdifferenz hat mit den, von null verschiedenen, thermischen
Widerständen zwischen den Substrathaltern und den Substraten zu tun.
Der erfindungsgemäße Substrathalter, im Folgenden auch Probenhalter genannt, führt, wie bereits oben angesprochen, eine allfällig auftretende Wärmemenge kontrolliert an die Rückseite ab, wo sie durch einen Wärmetauscher umgewandelt und vom erfindungsgemäßen Substrathalter abgeführt wird. Des Weiteren sorgt die große thermische Masse des, insbesondere oberen, Substrathalters für eine
Temperaturstabilisierung des, insbesondere oberen, Substrats, sodass thermische Schwankungen der näheren Umgebung weitestgehend minimiert werden. Es ist ein weiterer wichtiger erfindungsgemäßer Aspekt, dass die vergleichsweise große thermische Masse die Temperatur des oberen Substrats bzw. die
Temperaturdifferenz ΔΤ zwischen dem unteren und dem oberen Substrat während des Bondvorgangs stabilisiert.
Des Weiteren wird es durch die Kenntnisse des Wärmeabtransports durch den erfindungsgemäßen Substrathalter möglich, das Temperatur-Zeitdiagramm für den, insbesondere oberen Substrathalters bzw. das obere Substrat, zu ermitteln und, durch Veränderungen der Parameter des erfindungsgemäßen Substrathalters ermöglicht, dieses abzuändern. Der erfindungsgemäße Substrathalter kann als oberer und/oder unterer Substrathalter verwendet werden. Der erfindungsgemäße Substrathalter ist insbesondere als oberer Substrathalter ausgebildet, sodass das auf ihm fixierte obere, erste Substrat, in Richtung der Gravitation verformt wird, solange es nicht, insbesondere vollflächig, fixiert wird.
Im Folgenden wird mehrmals auf die Rauheit einer Oberfläche Bezug genommen. Die Rauheit wird in der Literatur entweder als mittlere Rauheit, quadratische Rauheit oder als gemittelte Rauhtiefe angegeben. Die ermittelten Werte für die mittlere Rauheit, die quadratische Rauheit und die gemittelte Rauhtiefe
unterscheiden sich im Allgemeinen für dieselbe Messstrecke bzw. Messfläche, liegen aber im gleichen Größenordnungsbereich. Daher sind die folgenden
Zahlenwertebereiche für die Rauheit entweder als Werte für die mittlere Rauheit, die quadratische Rauheit oder für die gemittelte Rauhtiefe zu verstehen.
Der erfindungsgemäße Substrathalter ist in der Lage, das insbesondere obere, erste, Substrat zu heizen und/oder zu kühlen. Über den Wärmeleitungskörper kann Wärme vom, insbesondere oberen, ersten, Substrat abgeführt werden und vorzugsweise an ein Kühlfluid weitergegeben werden. In diesem Fall wäre der Wärmeleitungskörper ein Kühlkörper. Denkbar wäre aber auch, dass das Fluid ein Erwärmungsfluid ist, welches Wärme an den Wärmeleitungskörper abgibt und so das obere, erste Substrat heizt. In diesem Fall wäre der Wärmeleitungskörper ein Erwärmungskörper.
Bei dem Kühlfluid handelt es sich vorzugsweise um die Atmosphäre der
Umgebung. Die Temperatur des Kühlfluids ist vorzugsweise die Raumtemperatur.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass der
Wärmeleitungskörper, insbesondere an seiner der Fixieroberfläche abgewandten Seite (im Folgenden auch Rückseite genannt), Rippen zur Abführung und/oder Zuführung der Wärme aufweist. Die Rippen können insbesondere auf der gesamten Rückseite des Wärmeleitungskörpers angeordnet sein, wodurch ein verbesserter Wärmeaustausch ermöglicht werden kann.
Über die Rippen kann Wärme entlang einer größeren Oberfläche, sogenannte Rippenoberfläche, verteilt werden. Die Rippen können insbesondere senkrecht zur Fixieroberfläche angeordnet sein. Die Rippen sind bevorzugt parallel zueinander angeordnet. Im Falle der Verwendung eines Wärmeleitungskörpers, der als
Kühlkörper dient, würde es sich um Kühlrippen handeln. Im Falle der Verwendung eines Wärmeleitungskörpers der als Erwärmungskörper dient, könnte man die Rippen als Erwärmungsrippen bezeichnen, welche die Wärme aus dem Fluid optimal in den Wärmeleitungskörpers leiten. Im weiteren Verlauf wird nur mehr von Rippen gesprochen. Soweit im weiteren Verlauf vorwiegend, sofern nicht explizit erwähnt, von Kühlung gesprochen wird, werden der Wärmeleitungskörper als Kühlkörper, die Rippen als Kühlrippen und das Fluid als Kühlfluid angesehen.
Die erfindungsgemäßen Ausführungsformen der Substrathalter sind vorzugsweise so ausgelegt, dass sich die Rippen in einer Verkapselung, beispielsweise einer Einhausung befinden. Die Verkapselung besitzt vorzugsweise mindestens zwei Zugänge. Einer der Zugänge dient der Zuführung des Fluids, der zweite der Abfuhr. Dadurch wird es möglich, das Fluid kontinuierlich und vor allem räumlich getrennt von der Umgebung über die Rippen des Wärmeleitungskörpers strömen zu lassen. Eine derartig kompakte Bauform ermöglicht auch die Trennung der erfindungsgemäßen Ausführungsform von den sie umgebenden Bauteilen. Handelt es sich bei der Kühlung um eine Gaskühlung, insbesondere eine Kühlung mit Luft, kann eine Anströmung der Rippen durch einen Gasstrom, insbesondere einen Luftstrom, über ein Gebläse bereits ausreichend sein, um eine effiziente Kühlung zu gewährleisten. In einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform werden die Kühlrippen nur von der umgebenden Atmosphäre gekühlt. Die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids ist vorzugsweise steuerbar. Die Strömungsgeschwindigkeit ist dabei größer als l mm/s, vorzugsweise größer als lem/s, noch bevorzugter größer als 10cm/s, am bevorzugtesten größer als 1 m/s. Durch eine kompakte Verkapselung kann das Fluid auch unter Druck gesetzt werden. Der Druck des Fluids entspricht dabei vorzugsweise dem
Umgebungsdruck. Das Fluid kann aber auch unter Überdruck verwendet werden. Dann ist der Druck größer als 1 bar, vorzugsweise größer als 2 bar, noch bevorzugter größer als 5 bar, am bevorzugtesten größer als 10 bar, am
allerbevorzugtesten größer als 20 bar. Die Zuführung des Fluids in die
Verkapselung und damit an die Rippen erfolgt vorzugsweise über
Schlauchsysteme, welche an die Zugänge angeschlossen wurden.
Optionale Kühl- und Heizelemente
Der erfindungsgemäße Substrathalter kann neben dem, weiter unten behandelten, Wärmeleitungskörper und dem Wärmetauscher an seiner Rückseite über
zusätzliche aktiv steuerbare Kühl- und/oder Heizelemente verfügen. Diese zusätzlichen Kühl- und/oder Heizelemente sind vorzugsweise in den
erfindungsgemäßen Substrathalter, insbesondere in den Wärmeleitungskörper, eingebaut. Denkbar wäre auch eine Anbringung der Kühl- und/oder Heizelemente an der Peripherie des Wärmeleitungskörpers, um den Wärmeleitungskörper möglichst homogen zu belassen und keine thermischen Störstellen durch zusätzlich eingebaute Bauteile zu erzeugen.
Bei einem Heizelement handelt es sich vorzugsweise um eine Induktionsheizung. Da die Temperaturkompensation allerdings nur für relativ kleiner
Temperaturdifferenzen erfolgen muss, wäre es auch denkbar, Infrarotquellen an der Seite des Wärmeleitungskörpers zu installieren, die genauer, schneller und effizienter angesteuert werden können und die Temperatur des Wärmeleitungskörpers im Bereich einiger weniger Grad Celsius durch
Strahlungswärme erhöhen können.
Bei einem Kühlelement könnte es sich um zusätzlich installierte Peltierelemente handeln, die unabhängig vom eigentlichen, erfindungsgemäßen
Wärmeleitungskörper, eine zusätzliche Kühlung des erfindungsgemäßen
Substrathalters, insbesondere des Wärmeleitungskörpers ermöglichen. Die
Peltierelemente sind vorzugsweise außerhalb des Wärmeleitungskörpers
angebracht, um die Materialhomogenität des Wärmeleitungskörpers nicht zu zerstören.
Den eigentlichen erfindungsgemäßen Aspekt der Erfindung stellt der
Wärmeleitungskörper dar.
Der Wärmeleitungskörper
Der Wärmeleitungskörper ist ein Bauteil mit einer möglichst großen thermischen Masse. Die thermische Masse ist das Produkt aus der spezifischen Wärmekapazität und der Masse des Körpers. Bei einer konstanten Dichteverteilung kann man die Masse durch das Produkt aus Dichte und Volumen ersetzen.
C = m* c = ö *V *c
Der Begriff thermische Masse wird vorwiegend in den Ingenieurswissenschaften verwendet. In den Naturwissenschaften verwendet man hauptsächlich den geläufigeren Begriff der Wärmekapazität. Die Einheit der Wärmekapazität ist J/K. Sie ist ein Maß für die Fähigkeit eines Körpers, Wärme bei einer gewissen
Temperatur zu speichern. Körper mit einer hohen Wärmekapazität sind
Wärmespeicher, die als Pufferelement dienen können. Über dem Wärmeleitungskörper fällt im Allgemeinen ein Temperaturgradient ab, wenn die Temperatur Tk des verwendeten Kühlfluids sich von der Temperatur des oberen Substrats unterscheidet. Anstatt des Temperaturgradienten kann auch eine mittlere Temperatur betrachtet werden. Der Temperaturgradient bzw. die
gemittelte Temperatur werden im weiteren Verlauf der Patentschrift mit Tw bezeichnet. Die Temperatur des Kühlfluids wird während des erfindungsgemäßen Prozesses vorzugsweise konstant gehalten, während sich der Temperaturgradient bzw. die gemittelte Temperatur Tw im Allgemeinen ändert. Die Temperatur Tw entspricht vorzugsweise immer der Temperatur des oberen Substrats und weicht von dieser nur marginal ab.
Es ist eine wichtige erfindungsgemäße Erkenntnis, dass die Temperatur des oberen Substrats, und des erfindungsgemäßen Wärmeleitungskörpers bzw. des gesamten erfindungsgemäßen, oberen Substrathalters, der Temperatur des Kühlfluids, insbesondere also der Umgebungstemperatur, entsprechen würde, sofern der thermische Widerstand Rth4 zwischen den beiden Substraten unendlich groß wäre. Durch einen endlichen Wert des thermischen Widerstands Rth4 ist allerdings ein Wärmestrom vom unteren Substrat auf das obere Substrat möglich.
Erfindungsgeraäß von Bedeutung ist vor allem, dass die Temperaturdifferenz ΔΤ, insbesondere während des Temperaturintervals d, bekannt und vor allem gezielt einstellbar ist, um den„run-out" Fehler zu vermindern oder vorzugsweise vollständig zu eliminieren.
Da es eine erfindungsgemäße Aufgabe der erfindungsgemäßen Ausführungsform ist, die Temperatur an dem Substrat möglichst kontrolliert abzuführen, aber auch entsprechend stark zu stabilisieren, besitzt der Wärmeleitungskörper eine
möglichst hohe Wärmekapazität. Die Wärmekapizität des Wärmeleitungskörpers ist möglichst groß, um eine effiziente Speicherung der Wärme zu erlauben bzw.
thermische Fluktuationen möglichst effizient zu kompensieren. Die Temperaturstabilität spiegelt sich auch in der Stabilität der Temperaturdifferenz ΔΤ wieder. Bei den meisten Festkörpern unterscheidet sich, bei moderaten
Temperaturen und Drücken, die Wärmekapazität bei konstantem Volumen nur marginal von der Wärmekapazität bei konstantem Druck. Im weiteren Verlauf wird daher nicht zwischen den beiden Wärmekapazitäten unterschieden. Des Weiteren werden spezifische Wärmekapazitäten angegeben. Die spezifische Wärmekapazität des Wärmeleitungskörpers ist insbesondere größer als 0.1 kJ/(kg*K), vorzugsweise größer als 0.5 kJ/(kg*K), noch bevorzugter größer als 1 kJ/(kg*K), am
bevorzugtesten größer als 10 kJ/(kg*K), am allerbevorzugtesten größer als 20 kJ/(kg*K). Die spezifischen Wärmekapazitäten können durch obige Formeln bei bekannter Dichte und Geometrie des Wärmeleitungskörpers in die absoluten Wärmekapazitäten umgerechnet werden.
Da die Wärme möglichst schnell abtransportiert werden muss, sollte das
Warmeleitungskörpermaterial eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen. Die Wärmeleitfähigkeit liegt zwischen 0.1 W/(m*K) und 5000 W/(m*K), vorzugsweise zwischen 1 W/(m*K) und 2500 W/(m*K), noch bevorzugter zwischen 10 W/(m*K) und 1000 W/(m*K), am bevorzugtesten zwischen 100 W/(m*K) und 450 W/(m*K). Kupfer, das am häufigsten eingesetzte Konstruktionsmaterial zur Abfuhr von Wärme, besitzt beispielsweise eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 400 W/(m*K). Durch die Wärmeleitfähigkeit wird festgelegt, wieviel Energie pro Zeiteinheit über eine Strecke bei gegebener Temperaturdifferenz transportiert wird. Die transportierte Energie- bzw. Wärmemenge pro Zeiteinheit nennt man den Wärmestrom. Der Wärmestrom beträgt mehr als 1 J/s, vorzugsweise mehr als 10 J/s, noch bevorzugter mehr als 100 J/s, am bevorzugtesten mehr als 200 J/s, am allerbevorzugtesten mehr als 500 J/s.
Der Wärmeleitungskörper wird an seiner Rückseite vorzugsweise aktiv oder passiv gekühlt. Eine passive Kühlung erfolgt durch Abstrahlung der Wärme, insbesondere durch eine möglich große Oberfläche. Die aktive Kühlung erfolgt über ein Kühlfluid. Bei dem Kühlfluid kann es sich um ein Gas oder um eine Flüssigkeit handeln. Denkbar wären beispielsweise
• Flüssigkeiten, insbesondere
o Wasser
o Öle
• Gase, insbesondere
o Edelgase
■ Helium
■ Argon
o Molekulare Gase
■ HFCKW
» HFKW
■ FCKW
■ PFKW
* C02
- N2
- 02
• Gasgemische, insbesondere
o Luft, insbesondere
■ Umgebungsluft
Die Kühlfluide nehmen die Wärme über den Wärmeleitungskörper auf, werden dadurch erwärmt und kühlen gleichzeitig den Wärmeleitungskörper. Das erwärmte Kühlfluid wird vorzugsweise in einem Kühlkreislauf zirkuliert und gibt die Wärme an einem anderen Punkt des Kreislaufsystems ab, wird dabei wieder abgekühlt und dem Kühlkreislauf erneut zugeführt. Vorzugsweise werden Kühlgase verwendet, da diese leichter zu handhaben sind. Handelt es sich beim Kühlfluid um die
Umgebungsluft, so erfolgt die Kühlung durch die Abgabe der Wärme vom
Wärmeleitungskörper in die Umgebungsluft. Die örtlich erwärmte Umgebungsluft verteilt sich danach in der umgebenden Atmosphäre und führt damit zu einer Temperaturangleichung und Kühlung.
Durch die Verteilung der Wärme über eine größere Oberfläche steigt die Effizienz der Abstrahlung bzw. des Wärmeübergangs zum Kühlfluid. Der Oberfläche kann noch weiter vergrößert werden, indem die Rauheit der Oberfläche bewusst vergrößert wird. Die Rauheit ist dabei größer als 10 nm, vorzugsweise größer als 100 nm, noch bevorzugter größer als 1 μιη, am bevorzugtesten größer als 10 μηι, am allerbevorzugtesten größer als 100 μηι.
Denkbar ist auch die Verwendung eines Wärmeleitungskörpers ohne Rippen, wodurch die Herstellung des Wärmeleitungskörpers vereinfacht werden kann.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform wäre es denkbar, zumindest die Oberseite des Wärmeleitungskörpers mit einer offenen Porosität zu versehen. Die Porengröße sollte dabei größer als 100 nm, vorzugsweise größer als 1 μιη, noch bevorzugter größer 10 μιη, am bevorzugtesten größer als 100 μπι, am allerbevorzugtesten um die 1 mm sein. Das Kühlfluid durchströmt die offene Porosität und nimmt dabei, auf Grund der großen Oberfläche, die Wärme noch effizienter auf. Denkbar wäre auch, nur die Rippen mit einer offenen Porosität zu versehen um die Oberfläche der Rippen weiter zu vergrößern.
Die Hauptaufgabe des erfindungsgemäßen Substrathalters, insbesondere des
Wärmeleitungskörpers, besteht in der Temperatureinstellung und
Temperaturstabilisierung des Substrats bzw. der Temperaturdifferenzeinstellung und Temperaturdifferenzstabilisierung zwischen dem unteren und dem oberen Substrat. Der erfindungsgemäße Substrathalter führt dem Substrat dazu Wärme zu und/oder führt Wärme ab, je nachdem ob das Substrat gekühlt und/oder gewärmt werden soll . Der erfindungsgemäße Substrathalter erlaubt insbesondere die gezielte Einstellung einer maximalen Temperatur bzw. der Temperaturdifferenz ΔΤ zwischen dem oberen und dem unteren Substrat und garantiert die
Temperaturstabilität der maximalen Temperatur bzw. der Temperaturdifferenz ΔΤ für eine Zeitspanne, die insbesondere gleich, noch bevorzugter größer ist als die zum Bonden der beiden Substrate benötigte Zeitspanne.
Im weiteren Abschnitt werden mehrere erfindungsgemäße Ausführungen genannt, die sich durch mindestens ein Merkmal voneinander unterschieden. Alle genannten erfindungsgemäßen Ausführungsformen sind beliebig und so miteinander kombinierbar, dass entsprechende weitere erfindungsgemäße Ausführungsformen erzeugt werden können, die mehrere genannte Merkmale in sich vereinen.
In einer beispielhaften erfindungsgemäßen Ausführungsform weist der
erfindungsgemäße Substrathalter ein separates Fixierteil, auf dem der
Wärmeleitungskörper aufgesetzt ist. Wärmeleitungskörper und Fixierteil sind also zwei verschiedene, aber miteinander verbundene Bauteile. Eine möglichst effiziente thermische Ankoppiung beider Bauelemente erfolgt durch möglichst ebene Oberflächen. Die Rauheit der miteinander in Kontakt stehenden Oberflächen des Fixierteils bzw. des Wärmeleitungskörpers ist dabei kleiner als 100 μηι, vorzugsweise kleiner als 10 μιη, noch bevorzugter kleiner als 1 pm, am
bevorzugtesten kleiner als l ÖOnm, am allerbevorzugtesten kleiner als lOnm. Eine weitere Verbesserung des thermischen Übergangs kann durch die Verwendung von thermischen Leitpasten erfolgen.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist die Fixieroberfläche einteilig mit dem Wärmeleitungskörper ausgebildet ist. Mit anderen Worten: Der
Wärmeleitungskörper selbst ist als Fixierteil ausgeführt. Der Wärmeleitungskörper und das Fixierteil bzw. die Fixieroberfläche sind einstückig ausgeführt. Der Substrathalter kann noch weitere Bauteile aufweisen, die aber nicht weiter behandelt, gezeigt oder beschrieben werden, da sie die Funktionalität der
Erfindung nicht entscheidend beeinflussen. Durch diese erfindungsgemäße Ausführungsform ist eine verbesserte Wärmeleitung möglich, da keine
Grenzflächen zwischen Fixierteil und Wärmeleitungskörper vorhanden sind.
Da die erfindungsgemäße Ausführungsform des einstückigen bzw. einteiligen Wärmeleitungskörpers die optimale erfindungsgemäße Ausführungsform ist, werden alle Variationen im Weiteren auf diesen Grundtyp bezogen. Fixierteil und Wärmeleitungskörper werden daher im weiteren Text synonym verwendet.
In einer anderen, besonders bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform weist der Substrathalter mindestens ein, insbesondere bewegliches, bevorzugt antreibbares, Verformungselement zur Verformung des Substrats auf, wobei das mindestens eine Verformungselement bevorzugt mittig im Substrathalter
angeordnet ist. Das mindestens eine Verformungselement kann insbesondere senkrecht zur Fixieroberfläche bzw. zum fixierten Substrat beweglich,
insbesondere antreibbar, sein. Das mindestens eine Verformungselement ist bevorzugt derart ausgebildet, dass das Substrat von der Fixieroberfläche weg verformbar ist. Der Substrathalter bzw. Wärmeleitungskörper kann eine,
insbesondere zentrisch angelegte und/oder durchgängig verlaufende, Bohrung aufweisen, in der das mindestens eine Verformungselement, insbesondere beweglich, bevorzugt antreibbar, angeordnet ist bzw. die den Zugang des mindestens einen Verformungselements, mit welchem das fixierte Substrat verformt werden kann, ermöglicht. Bei dem mindestens einen Verformungselement handelt es sich beispielsweise um
Einen Stift
Ein Dorn
Eine Kugel
Eine Düse, insbeson
o Eine Gasdüse Das Verformungselement wird so betrieben bzw. gesteuert, dass es durch eine gezielte Ansteuerung in der Lage ist, das Substrat, zumindest lokal, bevorzugt mittig, zu verformen. Die Verformung ist dabei, von der Seite des
Verformungselements betrachtet, vorzugsweise konkav. Die Verformung dient insbesondere dem Loslösungsprozess des Substrats vom Fixierteil bzw. von der Fixieroberfläche.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform, besitzt der
Wärmeleitungskörper in der Fixieroberfläche mindestens eine Ausnehmung und/oder Vertiefung, um einen möglichst geringen Kontakt des Substrats zur Fixieroberfläche bzw. zum Material des Wärmeleitungskörpers zu gewährleisten. Dadurch wird die so genannte wirksame Fixieroberfläche reduziert. Die wirksame Fixieroberfläche ist derjenige Bereich der Fixieroberfläche, der tatsächlich mit dem Substrat in Kontakt ist. Bevorzugt ist in der Fixieroberfläche mindestens eine Ausnehmung angeordnet, so dass das Substrat von der Fixieroberfläche
beabstandet haltbar ist. Der Vorteil dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform besteht darin, dass Verunreinigungen des Substarts durch die Oberfläche des Wärmeleitungskörpers verringert werden. Um den Wärmetransport effizient durchzuführen, kann ein Gas mit entsprechend hoher thermischer Leitfähigkeit und entsprechend hoher Wärmekapazität in die mindestens eine Ausnehmung und/oder Vertiefung eingebracht werden, insbesondere eingeströmt werden. Das Substrat wird dann nur an einigen wenigen, insbesondere an der Peripherie und/oder im Zentrum befindlichen, Fixierelementen fixiert. Eine derartige Ausführungsform ist in der Druckschrift WO2013/0237G8A1 offenbart, deren Offenbarungsgehalt hinsichtlich dieser Ausführungsform ausdrücklich in den Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung aufgenommen wird.
In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform sind in der mindestens einen Vertiefung noppenförmige (Noppen) und/oder nadeiförmige und/oder podestförmige Elemente angeordnet, so dass das Substrat durch diese Elemente von der Fixieroberfläche beabstandet haltbar ist, die insbesondere spitz in Richtung des Substrats zulaufen können. Die Elemente reichen bis an die
Oberfläche des Wärmeleitungskörpers und stützen das fixierte Substrat. Um die Wärmekopplung zwischen dem fixierten Substrat und dem Wärmeleitungskörper zu gewährleisten, ist auch in dieser erfindungsgemäßen Ausführungsform eine
Spülung der Zwischenräume der Noppen und/oder Nadeln und/oder Podest mit einem Fluid hoher Wärmekapazität möglich.
Fixierelemente
Alle offenbarten erfindungsgemäßen Ausführungsformen sind in der Lage, ein Substrat, insbesondere einen Wafer, noch bevorzugter einen Halbleiterwafer, zu fixieren. Die Fixierung kann dabei durch jedes beliebige Fixierelement erfolgen. Bevorzugt sind, insbesondere vollflächig, in, an und/oder auf der Fixieroberfläche Fixierelemente zur Fixierung des Substrats angeordnet. Denkbar wären
Vakuumfixierungen
Elektrostatische Fixierungen
Magnetische Fixierungen
Mechanische Fixierungen, insbesondere
o Klemmen
Adhäsionsfixierungen, insbesondere
o Fixierungen durch adhäsive Folien
Besonders bevorzugt sind, insbesondere vollflächig über die Fixieroberfläche verteilt, angeordnete Vakuumfixierungen bzw. Vakuumbahnen (im Folgenden auch Vakuumkanäle genannt). Die Vakuumfixierung besteht aus mehreren
Vakuumkanälen, welche in Vakuumöffnungen an der Fixieroberfläche des
Substrathalters enden. In einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform sind die Vakuumkanäle miteinander verbunden, sodass eine Evakuierung und/oder Spülung der
Vakuumkanäle gleichzeitig erfolgen kann.
In einer anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform sind zumindest einzelne Vakuumkanälen miteinander verbunden und bilden entsprechende
Vakuumkanalgruppen. Jede Vakuumkanalgruppe kann dabei individuell
ansteuerbar sein, sodass eine stückweise Fixierung und/oder Loslösung des
Substrats erreicht werden kann. In besonderen erfindungsgemäßen
Ausführungsformen sind mehrere Vakuumöffnungen in mehreren zentrierten, sich im Radius unterscheidenden, Kreisen zu einer Vakuumkanalgruppe angeordnet. Vorteilhafterweise werden alle Vakuumkanäle desselben Kreises gleichzeitig angesteuert, sodass die Fixierung und/oder Loslösung des Substrats zentrisch beginnen und radialsymmetrisch nach außen fortschreitend gesteuert werden kann. Dadurch ergibt sich eine besonders effiziente Möglichkeit der gesteuerten
Fixierung und/oder Loslösung des Substrats.
Thermischer Widerstand: Ersatzschaltbild
Ein weiterer wichtiger erfindungsgemäßer Aspekt der Erfindung besteht
insbesondere in einer Optimierung des Wärmeflusses durch den
erfindungsgemäßen Substrathalter. Der Wärmefluss zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke wird entscheidend von den thermischen Widerständen beeinflusst. Jedes statistische Vielteilchensystem, daher Fluide wie Gase und Flüssigkeiten, sowie Festkörper, besitzt einen thermischen Widerstand. Die Definition des thermischen Widerstands ist dem Fachmann bekannt. Der thermische Widerstand ist kein reiner Materialparameter. Er hängt von der Wärmeleitfähigkeit, der Dicke und dem Querschnitt ab. Im weiteren Verlauf der Druckschrift wird davon ausgegangen, dass der Wärmestrom immer den gleichen Querschnitt durchströmt, sodass der thermische Widerstand, bei konstantem Querschnitt, als Funktion der Wärmeleitfähigkeit und der Dicke des jeweilig betrachteten Materials zu betrachten ist. Der thermische Widerstand wird in den Figuren mit Rth und einem Index abgekürzt.
Erfindungsgemäß gibt es insbesondere acht relevante thermische Widerstände. Rthl bis Rth8 sind die thermischen Widerstände des (i) unteren Substrathalters, (ii) des Fluids oder Vakuums zwischen dem unteren Substrathalter und dem unteren Substrat, (iii) des unteren Substrats, (iv) des Fluids oder Vakuums zwischen den beiden Substraten, (v) des oberen Substrats, (vi) des Fluids oder Vakuums zwischen dem oberen Substrat und dem oberen Substrathalter, (vü) des Wärmeleitungskörpers und (vni) des Fluids, das insbesondere zwischen den Kühlrippen strömt.
Der Wärmestrom ist direkt proportional zur angelegten Temperaturdifferenz zwischen der Wärmequelle und der Wärmesenke. Der thermische Widerstand ist die Proportionalitätskonstante. Es gilt daher
ΔΓ dt
Es ist insbesondere ein weiterer wichtiger erfindungsgemäßer Aspekt der
Erfindung, die thermischen Widerstände ober- und/oder unterhalb der Substrate zu minimieren und den thermischen Widerstand zwischen den Substraten zu maximieren. Erfindungsgemäß sind die thermischen Widerstände daher
insbesondere folgendermaßen auszulegen:
Rthl wird minimiert, insbesondere durch die Wahl eines Materials mit hoher thermischer Leitfähigkeit,
-- Rth2 wird minimiert, insbesondere durch die Wahl eines Fluids mit hoher thermischer Leitfähigkeit,
— Rth3 sollte durch die Wahl eines Substrats mit einer hohen thermischen
Leitfähigkeit minimiert werden, -- Rth4 wird maximiert, insbesondere durch die Spülung mit einem Gas niedriger thermischer Leitfähigkeit und/oder ein Vakuum und/oder durch eine optimierte Prozessführung, insbesondere durch eine geschickte Wahl des Abstandes,
— Rth5 sollte durch die Wahl eines Substrats mit einer hohen thermischen
Leitfähigkeit minimiert werden,
-- Rth6 wird minimiert, insbesondere durch die Wahl eines Fluids mit hoher thermischer Leitfähigkeit,
— Rth7 wird minimiert, insbesondere durch die Wahl eines Materials mit hoher thermischer Leitfähigkeit und/oder
Rth8 wird minimiert, insbesondere durch die Wahl eines Fluids mit hoher thermischer Leitfähigkeit.
Es ist insbesondere ein wichtiger Aspekt der erfindungsgemäßen Ausführungsform, die Temperatur des oberen Substrats bzw. die Temperaturdifferenz ΔΤ zwischen dem unteren Substrat und dem oberen Substrat gezielt einstellen zu können und während des Bondvorgangs möglichst konstant zu halten. Dies erfolgt
erfindungsgemäß durch eine korrekte Wahl der thermischen Widerstände. Durch die Maximierung des thermischen Widerstands Rth4 wird der Wärmestrom vom unteren Substrat zum oberen Substrat minimiert, vorzugsweise sogar vollständig unterbrochen. Da eine vollständige Unterbrechung des Wärmestroms allerdings praktisch nicht erreichbar ist, wird es praktisch immer zu einer
Temperaturänderung des oberen Substrats kommen. Die Temperaturdifferenz ΔΤ ist insbesondere kleiner als 20°C, vorzugsweise kleiner als 10°C, noch bevorzugter kleiner als 5°C, am bevorzugtesten kleiner als 1 °C, am allerbevorzugtesten kleiner als 0.1 °C.
Andererseits soll insbesondere die Temperatur des unteren Substrats vorzugsweise durch eine Heizvorrichtung im unteren Substrathalter exakt eingestellt werden können. Insbesondere soll die Temperatur des unteren Substrats der Temperatur des unteren Substrathalters entsprechen. Der untere Substrathalter wird insbesondere auf Temperaturen unter lOO^C, vorzugsweise unter 75°C, noch bevorzugter unter 50°C, am bevorzugtesten unter 30°C temperiert.
Des Weiteren soll insbesondere die Temperatur des oberen Substrats der
Temperatur des Kühlfluids und/oder des Wärmeleitungskörpers entsprechen. In einer ganz besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform entspricht die
Temperatur des Kühlfluids vor allem der Umgebungstemperatur. Das ist
insbesondere dann der Fall, wenn die Atmosphäre selbst als Kühlfluid verwendet wird. Das Kühlfluid wird insbesondere auf Temperaturen unter 100°C,
vorzugsweise unter 75°C, noch bevorzugter unter 50°C, am bevorzugtesten unter 30°C temperiert. In einer ganz besonderen erfindungsgemäßen Ausführungsform wird die Umgebungsatmosphäre als Kühlfluid verwendet und besitzt damit
Raumtemperatur bzw. Umgebungstemperatur.
Die Durchmesser der Substrate können nicht verändert werden. Die
Wärmeleitfähigkeiten und Dicken der verwendeten Substrate sind meistens ebenfalls durch Produktionsbedingungen vorgegeben und können daher meistens auch nicht zur erfindungsgemäßen Optimierung herangezogen werden. Durch die erfindungsgemäß korrekte Wahl der thermischen Widerstände wird der Wärmefluss insbesondere vom unteren Substrat zum oberen Substrat vorzugsweise minimiert und der Wärmefluss vom oberen Substrat zum Kühlfluid maximiert. Damit bleibt die Temperaturdifferenz AT erfindungsgemäß konstant.
Ein weiteres Ziel der erfindungsgemäßen Wahl der thermischen Widerstände besteht insbesondere vor allem darin, die Temperatur des oberen Substrats konstant, insbesondere bei Umgebungstemperatur, zu halten und daher die
Beeinflussung durch andere Wärmequellen, insbesondere der Wärmequelle des unteren Substrats, zu minimieren. Bei konstant gehaltener Temperatur des unteren Substrathalters, und damit des unteren Substrats, ist das gleichbedeutend mit der Aufrechterhaltung der Temperaturdifferenz ΔΤ zwischen dem oberen und dem unteren Substrat, insbesondere während des Bondvorgangs im Temperaturbereich d. Dies geschieht vor allem durch eine Maximierung des thermischen Widerstands Rth4 zwischen den Substraten. Die Temperatur Tlu des unteren Substrats hingegen sollte möglichst effizient durch eine Heizvorrichtung geregelt werden können. Die Temperatur des unteren Substrathalters wird dabei mit Tp bezeichnet.
Vorzugsweise ist die Temperatur Tp des unteren Substrathalters zu jedem
Zeitpunkt identisch mit der Temperatur Tlu des unteren Substrats. Die
Weiterleitung der Wärme vom Heizer zum unteren Substrat geschieht vor allem durch eine Minimierung der thermischen Widerstände Rthl und Rth2.
Prozesse
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäßen Prozesse können anhand von sogenannten Temperatur-Zeit Diagrammen beschrieben werden. In den Temperatur-Zeit Diagrammen wird insbesondere eine Temperatur, insbesondere die Temperatur T am, mit dem erfindungsgemäßen Substrathalter fixierten, Substrat als Funktion der Zeit t dargestellt (Temperaturgraph). Die Temperatur wird dabei auf der Ordinate am linken Rand des Temperatur-Zeit Diagramms dargestellt. In den Temperatur-Zeit Diagrammen kann auch eine Abstands-Zeitkurve dargestellt werden (Abstandsgraph), an der abgelesen werden kann, wie groß zu einem
Zeitpunkt der Abstand beider Substrate zueinander ist. In diesem Fall wird die Ordinate der Abstands-Zeitkurve am rechten Rand des Temperatur-Zeit Diagramms dargestellt. Da die Abstands-Zeitkurve Abstände vom mm bis in den nm Bereich aufzeigt, wird sie vorzugsweise iogarithmisch skaliert. Der Übersichtlichkeit halber ist die Abstands-Zeitkurve in den Figuren allerdings mit einer linearen Skalierung dargestellt. Der Einfachheit halber wird im weiteren Verlauf nur von einem Temperatur-Zeit Diagramm oder kürzer, einem T-t Diagramm, gesprochen werden. Neben dem T-t Diagramm für das fixierte Substrat könnte noch ein T-t Diagramm für den erfindungsgemäßen Substrathalter beschrieben werden. Die beiden T-t Diagramme unterscheiden sich allerdings nur marginal, insbesondere in Bezug auf minimale Abweichungen entlang der Temperaturachse, voneinander. Im weiteren Verlauf der Patentschrift werden T-t Diagramme daher synonym für Temperatur-Zeit Diagramme des fixierten Substrats und/oder des
erfindungsgemäßen Substrathalters verwendet. Diese Annahme ist vor allem dann gerechtfertigt, wenn die thermischen Widerstände Rth2 und Rth6 minimal sind. In diesem Fall ist die thermische Ankopplung zwischen dem Substrathalter und dem Substrat so gut, dass man davon ausgehen kann, dass deren Temperaturen mehr oder weniger identisch sind.
Jedes Diagramm kann im Allgemeinen in sechs Abschnitte, insbesondere
Zeitabschnitte, eingeteilt werden.
Im ersten, anfänglichen, Abschnitt a erfolgt eine Annäherung des Substrats aus einem relativ großen Abstand. Der Abstand zwischen den beiden Substraten ist im Abschnitt a größer als 1 mm, vorzugsweise größer als 2 mm, noch bevorzugter größer als 3 mm, am bevorzugtesten größer als 10 mm, am allerbevorzugtesten größer als 20 mm. Eine Bewegung des Substrats innerhalb des Abschnitts a führt nicht zu einer Temperaturerhöhung durch das andere, insbesondere untere, zweite, Substrat bzw. den anderen, insbesondere unteren, zweiten, Substrathalter, die im Allgemeinen auf eine Temperatur oberhalb der Raumtemperatur geheizt werden können. Wird der Abstand zwischen den beiden Substraten soweit verringert, dass eine Beeinflussung durch Wärmestrahlung des zweiten, unteren Substrats bzw. des zweiten, unteren Substrathalters und/oder die Wärmekonvektion des umliegenden Gases am oberen, ersten, Substrat stattfindet, kommt es zu einem mäßigen
Temperaturanstieg am oberen, ersten, Substrat.
Dieser Bereich b des mäßigen Temperaturanstiegs wird als
Grobannäherungsbereich bezeichnet. Der Abstand beider Substrate liegt hier zwischen 10 mm und 0 mm, vorzugsweise zwischen 5 mm und 0 mm, noch bevorzugter zwischen 1 mm und 0 μιη, am bevorzugtesten zwischen 100 μηι und 0 μιη.
Nähern sich die Substrate noch weiter an, kommt es am Ende des
Grobannäherungsbereiches b zu einem sprunghaften Anstieg der Temperatur des oberen, ersten Substrats. Es findet eine Art Wärmekopplung zwischen beiden Substraten statt. Die Wärme führt auf Grund des kleinen Abstands- Durchmesserverhältnisses von Substratabstand zu Substratdurchmesser zur Erwärmung des oberen, ersten, Substrats. Die durch Wärmestrahlung erwärmten Umgebungsgase können nicht mehr schnell genug aus dem Zwischenraum beider Substrate diffundieren und übertragen die Wärme daher bevorzugt direkt vom unteren, zweiten, Substrat auf das obere, erste, Substrat. Ähnliche Überlegungen gelten für die Wärmestrahlung, die praktisch nur noch die Möglichkeit hat, die Oberfläche des oberen, ersten, Substrats zu erreichen. Dieser Bereich der starken Erwärmung des Substrats wird als Nahannäherungsbereich c bezeichnet. Der Abstand beider Substrate liegt hier zwischen 1 mm und 0 mm, vorzugsweise zwischen 100 μπι und 0 μπι, noch bevorzugter zwischen 10 μ ηι und 0 μπι, am bevorzugtesten zwischen 1 μπι und 0 μιη.
Der Übergang des Temperaturprofils vom Nahannäherungsbereich c in einen sogenannten Temperatursättigungsbereich d erfolgt vorzugsweise durch einen mathematisch möglichst stetigen aber nicht differenzierbaren Übergang. Denkbar ist auch, dass der Übergang kontinuierlich erfolgt, sodass eine Trennung der Bereiche c und d nicht mehr eindeutig vorgenommen werden kann. Die Form des Temperatur-Zeitgraphen sieht dann wie eine„Haifischflosse" aus. Denkbar wären aber auch andere Formen.
Im Temperatursättigungsbereich d erfolgt vorzugsweise der erfindungsgemäße Bondvorgang. Die translatorische Annäherung der Substrate wird gestoppt, das heißt der Abstand zwischen den Substraten bleibt konstant. Zu diesem Zeitpunkt besitzt das obere, erste, Substrat, für eine wohldefinierte Zeitspanne tl , die der Länge des Temperatursättigungsbereich d entspricht, eine konstante Temperatur T4o. Mit konstanter Temperatur T4o ist eine maximale Temperaturschwankung von maximal 4 K, bevorzugt maximal 3 K, weiter bevorzugt maximal 2 , am
bevorzugtesten maximal 1 K, am allerbevorzugtesten maximal 0.1 K gemeint. Der Abstand beider Substrate ist in diesem Bereich konstant und liegt zwischen 1 mm und 0 mm, vorzugsweise zwischen 100 μπι und 0 μηι, noch bevorzugter zwischen 10 μηι und 0 μηι, am bevorzugtesten zwischen 1 μιη und 0 μιη, in speziellen erfindungsgemäßen Ausführungsformen wäre eine weitere Annäherung der beiden Substrate im Bereich d auch noch möglich. Es ist allerdings dann darauf zu achten, dass noch genügend Zeit für den eigentlichen Bondvorgang verbleiben muss. Des Weiteren bleibt im Temperatursättigungsbereich d die Temperaturdifferenz ΔΤ zwischen dem unteren und dem oberen Substrat konstant. Die Schwankungen der Temperaturdifferenz ΔΤ sind dabei kleiner als 4 K, bevorzugt kleiner als 3 K, noch bevorzugter kleiner als 2 K, am bevorzugtesten kleiner als 1 K, am
allerbevorzugtesten kleiner als 0.1 K. Die Temperaturdifferenz ΔΤ kann
insbesondere durch die Wahl der thermischen Widerstände und/oder der
Wärmequellen, insbesondere dem Heizer im unteren Substrathalter, und/oder der Wärmesenken, insbesondere dem ühlfluid, exakt und reproduzierbar eingestellt werden.
Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Zeitspanne tl , während der sich bei konstantem Abstand d3 die konstante Temperatur T4o einstellt, mehr als 5
Sekunden, bevorzugt mehr als 10 Sekunden, weiter bevorzugt mehr als 15
Sekunden, noch weiter bevorzugt mehr als 20 Sekunden, am bevorzugtesten mehr als 40 Sekunden beträgt. Dadurch bleibt vorteilhaft ausreichend Zeit für den Bondvorgang.
Weiterhin ist es insbesondere vorgesehen, dass die Zeitspanne tl, der Abstand d3 und/oder die konstante Temperatur T4o vor dem ersten Schritt bestimmt werden, insbesondere empirisch, bevorzugt unter Berücksichtigung der Temperatur des zweiten Substrats, der Materialien der Substrathalter, der Wärmeleitungskörper und/oder der Substrate und/oder der Annäherungsgeschwindigkeit. Somit ist es insbesondere vorteilhaft möglich, das Verfahren vor dem ersten Schritt derart festzulegen bzw. zu kalibrieren, dass die optimalen Parameter des Verfahrens bestimmt werden können.
Der Bondvorgang, insbesondere der Fusionsbondvorgang, benötigt eine Zeitspanne t2, die insbesondere kleiner oder gleich groß der Zeitspanne tl ist. Es ist ein wichtiger erfindungsgemäßer Aspekt, dass der Bondvorgang vorzugsweise innerhalb der Zeitspanne des Temperatursättigungsbereich d bei der gegebenen Temperatur T4o erfolgt. Dies hat den Vorteil, dass der Bondvorgang stattfinden kann, ohne dass sich die Temperatur des ersten Substrats verändert, wodurch die oben beschriebenen run-out Fehler vermieden, zumindest reduziert, werden können.
Im darauffolgenden Abkühlbereich e, kühlt sich das obere, erste, Substrat, insbesondere exponentieli, ab.
Im darauffolgenden Bereich f tritt schließlich eine konstante Sättigungstemperatur ein, die höher liegt als die Ausgangstemperatur des oberen, ersten, Substrats im ersten Abschnitt a vor dem Annäherungsvorgang. Sie liegt im Allgemeinen allerdings tiefer als die Temperatur des unteren, zweiten, Substrats bzw.
Substrathalters. Denkbar wäre es auch, einen Bondvorgang im Bereich f bei der Temperatur T6o durchzuführen.
Vorzugsweise werden vor der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens alle notwendigen physikalischen Parameter ermittelt, die es ermöglichen, eine exakte Aussage über den Temperatur-Zeitgraphen zu erhalten. Das erfindungsgemäße Verfahren muss durch Variation der physikalischen Parameter solange verändert werden, bis sichergestellt wurde, dass beim eigentlichen Bondvorgang genau jenes Temperatur-Zeit Profil entsteht, welches eine optimale Verbondung beider
Substrate miteinander erlaubt und vor allem auch zu einem entsprechenden
Durchsatz führt. Durch die Verwendung eines entsprechenden erfindungsgemäßen Wärmeleitungskörpers mit entsprechender thermischer Masse, dem korrekten Kühlfluid, dem korrekten Kühlfluiddruck, der korrekten
Kühlfluidströmungsgeschwindigkeit, einem korrekten Annäherungsprofil, etc. können die Sättigungstemperatur T4o im Bereich d, die Zeitspanne tl des Bereichs d sowie alle anderen gewünschten Bereiche des Temperatur-Zeitgraphen
entsprechend eingestellt werden.
Ist das System einmal auf ein Temperatur-Zeit Verhalten kalibriert, ist auch sichergestellt, dass das obere, erste, Substrat zu einem wohldefinierten Zeitpunkt eine wohldefinierte Temperatur besitzt und dass ab dem Beginn des Erreichens dieser Temperatur eine wohldefinierte Zeit vorhanden ist, um den eigentlichen Bondvorgang durch eine Durchbiegung und/oder Lösung der, insbesondere durch Vakuum hervorgerufenen, Fixierung erfolgen kann. Durch die Möglichkeit bereits frühzeitig im Bereich d zu bonden ergeben sich zwei fundamental wichtige
Aspekte der Erfindung. Erstens kann frühzeitig mit dem Bonden begonnen werden, was zu einer immensen Durchsatzsteigerung führt und zweitens ist sichergestellt, dass das Substrat innerhalb einer wohldefinierten Zeitspanne eine extrem
konstante Temperatur besitzt. Dadurch wird es erfindungsgemäß möglich die, im Stand der Technik bestens bekannten, run-out Probleme vollständig zu vermeiden. Es ist sichergestellt, dass beide Substrate während des Zeitintervalls des Bereichs d eine praktisch konstante Temperatur besitzen und ihre Temperatur während des Bondvorgangs praktisch nicht ändern. Es soll in diesem Zusammenhang nochmals explizit erwähnt werden, dass der obige Umstand konstanter Temperatur nicht bedeutet, dass beide Substrate dieselbe Temperaturbesitzen müssen. Sehr wohl kann es erwünscht sein, mindestens eines der beiden Substrate vorsätzlich auf eine höhere oder tiefere Temperatur zu erwärmen bzw. zu kühlen, um durch eine gewollte, erzwungene thermische Ausdehnung eine gewollte, erzwungene Substratgröße einzustellen, die erst zu einer Kongruenz der beiden funktionalen Einheiten beider Substrate führt. Es ist aber erfindungsgemäß, diese einmal eingestellten Temperaturen während des Bondvorgangs konstant zu halten.
In jedem beschrieben erfindungsgemäßen Verfahren können die Substrate vor- und/oder nachbehandelt werden. Als Vorbehandlung kommen vor allem in Frage
• Reinigung, insbesondere durch
o Chemische Prozesse, insbesondere durch
* Flüssigkeiten, insbesondere durch
• Wasser
o Physikalische Prozesse, insbesondre durch
« Sputtern, insbesondere durch
• Ionen, insbesondere durch
o Plasma Aktivierung
• Ungeladene Teilchen
• Schleifen
• Polieren
• Ausrichten, insbesondere
o Mechanische Ausrichtung und/oder
o Optische Ausrichtung
• Abscheidungen
Als Nachbehandlungen kommen in Frage
• Reinigung, insbesondere durch
o Chemische Prozesse, insbesondere durch
" Flüssigkeiten, insbesondere durch
• Wasser
o Physikalische Prozesse, insbesondre durch ■ Sputtern, insbesondere durch
• Ionen
• Ungeladene Teilchen
• Schleifen
• Polieren
• Untersuchungen, insbesondere
o Des Bondinterfaces, insbesondere
■ auf Fehlstellen (engl. : voids)
» auf Ausrichtungsfehler, insbesondere
• run-out Fehler
• Wärmebehandlungen, insbesondere
o In einem Ofen
o einer Heizplatte
• Erneute Trennung der Substrate, insbesondere durch die Methode aus der Druckschrift WO2013/091714A1
Durch die Erfindungsgemäße Ausführungsform wird vor allem eine Kompensation des, im Stand der Technik bekannten, run-out Fehlers ermöglicht. Um
sicherzustellen, dass die Ausrichtungsgenauigkeit weit genug minimiert wurde, ist daher besonders eine Untersuchung des Bondinterfaces nach dem Bonden beider Substrate von Bedeutung, um, gegebenenfalls, die Substrate durch eine spezielle Methode, insbesondere die Methode aus der Druckschrift WO2013/091714A1 , wieder voneinander zu trennen. Damit wird ein Verlust beider Substrate, bzw. des gesamten Substratstapels, vermieden und die Substrate können, bei Bedarf, neu zueinander ausgerichtet und gebondet werden.
Die Ausrichtungsgenauigkeit, die durch die erfindungsgemäße Anlage bzw. den erfindungsgemäßen Prozess erreicht werden kann, ist besser als 100 μιη, vorzugsweise besser als 10 μιη, noch bevorzugter besser als 500 nm, am
bevorzugtesten besser als 200 nm, am allerbevorzugtesten besser als 100 nm. Die Ausrichtungsgenauigkeit ist insbesondere gleich an jeder Position des
Substratstapels, was ein entscheidendes und charakteristisches Merkmal einer erfolgreichen run-out Fehler Kompensation ist. Die Standardabweichung der Ausrichtungsgenauigkeit, die durch Mittelung aller Ausrichtungsfehler des
Substratstapels ermittelt wird, ist dabei kleiner als 1 μπι, vorzugsweise kleiner als 500 nm, noch bevorzugter kleiner als 250 nm, am bevorzugtesten kleiner als 100 nm, am allerbevorzugtesten kleiner als 50 nm.
Nach dem erfindungsgemäßen Bondvorgang und einer optionalen aber bevorzugten positiven Untersuchung, werden die Substrate, sofern nötig, wärmebehandelt. Die Wärmebehandlung ist insbesondere für fusionsgebondete Substrate notwendig. Die Wärmebehandlung führt in diesem Fall zur Erzeugung eines permanenten Bonds beider Substrate, der nicht mehr gelöst werden kann. Sind Wärmebehandlungen der Substrate nach dem erfindungsgemäßen Bondvorgang nicht mehr notwendig, wird entsprechend darauf verzichtet.
In einem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt das Bonden der beiden Substrate im Bereich d durch die Verformung eines, insbesondere des oberen, ersten, Substrats. Die Verformung erfolgt vorzugsweise zentrisch durch das bereits beschriebene Verformungselement. Der Vorteil des ersten erfindungsgemäßen Prozesses besteht vor allem im Durchsatz. Da der Bondvorgang bereits im Abschnitt d erfolgt und nicht auf das Abkühlen des oberen, ersten Substrats gewartet werden muss, kann der Durchsatz (daher die Anzahl der Substrate, die pro Zeiteinheit mit der erfindungsgemäßen Ausführungsform prozessiert werden können) im Gegensatz zum Stand der Technik erhöht werden. Die Abkühlung des, oberen, ersten,
Substrats ist der Anpassungsvorgang an die Umgebungstemperatur, die vorwiegend durch die umgebende Atmosphäre und/oder das untere, zweite, Substrat bzw. den unteren zweiten Substrathaiter vorgegeben wird. In einem anderen erfindungsgemäßen Prozess erfolgt das Bonden der beiden Substrate im Bereich f durch die Verformung eines, insbesondere des oberen, ersten, Substrats. Die Verformung erfolgt vorzugsweise zentrisch durch das bereits beschriebene Verformungselement.
Die Temperaturen T4o, T6o können durch den erfindungsgemäßen Substrathalter, insbesondere durch die thermische Masse, die Kühlelemente und Vorrichtungen, die Kühlprozesse, die Kühlfluide etc. variiert und optimal angepasst werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die zeigen in:
Figur 1 eine nicht maßstabsgetreue, schematische Querschnittsdarstellung
einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform eines
Substrathalters,
Figur 2 eine nicht maßstabsgetreue, schematische Querschnittsdarstellung
einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform,
Figur 3 eine nicht maßstabsgetreue, schematische Querschnittsdarstellung
einer dritten erfindungsgemäßen Ausführungsform,
Figur 4 eine nicht maßstabsgetreue, scheraatische Querschnittsdarstellung
einer vierten erfindungsgemäßen Ausführungsform,
Figur 5 eine nicht maßstabsgetreue, schematische Querschnittsdarstellung
einer fünften erfindungsgemäßen Ausführungsform,
Figur 6a eine nicht maßstabsgetreue, schematische Querschnittsdarstellung
eines ersten Schrittes eines erfindungsgemäßen Verfahrens, Figur 6b eine nicht maßstabsgetreue, schematische Querschnittsdarstellung eines zweiten Schrittes,
Figur 6c eine nicht maßstabsgetreue, schematische Querschnittsdarstellung eines dritten Schrittes,
Figur 6d eine nicht maßstabsgetreue, schematische Querschnittsdarstellung eines vierten Schrittes,
Figur 6e eine nicht maßstabsgetreue, schematische Querschnittsdarstellung eines fünften Schrittes,
Figur 6f eine nicht maßstabsgetreue, schematische Querschnittsdarstellung eines sechsten Schrittes,
Figur 7a eine schematische Darstellung eines ersten Temperatur-Zeit und
Abstands-Zeitdiagramms,
Figur 7b eine schematische Darstellung eines zweiten Temperatur-Zeit und
Abstands-Zeitdiagramms,
Figur 8 eine schematische Darstellung möglicher Overlay Fehler und
Figur 9 eine schematische Darstellung eines thermischen Ersatzschaltbildes.
In den Figuren sind gleiche Bauteile oder Bauteile mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Die Figur 1 zeigt eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform eines
Substrathalters 1 , aufweisend ein Fixierteil 4 und einen Wärmeleitungskörper 2. Das Fixierteil 4 verfügt über Fixierelemente 5, insbesondere Vakuumbahnen, noch bevorzugter individuell ansteuerbare Vakuumbahnen, mit deren Hilfe ein nicht dargestelltes erstes Substrat 1 1 an einer Fixieroberfläche 4o fixiert werden kann. Der Wärmeleitungskörper 2 verfügt vorzugsweise über mehrere Rippen 3 , die über deren Rippenoberfläche 3o Wärme an ein nicht dargestelltes Fluid abgeben können. Der Wärmeleitungskörper 2 ist mit dem Fixierelement 4 über eine
Grenzfläche 6 verbunden.
Die Figur 2 zeigt eine zweite, bevorzugte, erfindungsgemäße Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Substrathalters , aufweisend einen
Wärmeleitungskörper 2 ', der gleichzeitig auch als Fixierteil fungiert. Mit anderen Worten: der Wärmeleitungskörper 2' und das Fixierteil sind im Gegensatz zur Ausführungsform aus Figur 1 einteilig d.h. einstückig bzw. integral ausgebildet. Dadurch gibt es keine Grenzfläche zwischen dem Fixierteil und dem
Wärmeleitungskörper 2' , so dass es vorteilhaft keine thermische Barriere gibt, die den Abtransport der Wärme vom nicht dargestellten ersten Substrat 11 zum die Rippen 3 umströmenden nicht dargestellten Fluid behindert.
Die Figur 3 zeigt eine dritte, noch bevorzugtere, erfindungsgemäße
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Substrathalter 1 " , der über eine Bohrung 7 im Wärmeleitungskörper 2 " verfügt. Die Bohrung 7 erlaubt den Zugang eines Verformungselements 8, insbesondere eines Dorns, zur nicht dargestellten Rückseite l lo eines nicht dargestellten Substrats 1 1. Im Übrigen entspricht diese Ausführungsform derjenigen aus Figur 2, sodass auf die Beschreibung zu dieser Figur verwiesen wird.
Die Figur 4 zeigt eine vierte erfindungsgemäße Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Substrathalters 1 " ', der zusätzlich zu den in Figur 3 genannten Merkmalen noch über Vertiefungen 9 in der Fixieroberfläche 4o verfügt, um den Kontakt zwischen der nicht dargestellten Rückseite des nicht dargestellten ersten Substrats 1 1 zu minimieren. Diese Minimierung dient der Vermeidung von, insbesondere metallischer, Kontamination des Substrats durch die Fixieroberfläche 4o. Des Weiteren dient sie der Vermeidung von lokaler Verformung des Substrats durch Partikel. Zur Steigerung der Wärmekopplung können die Vertiefungen 9 mit Fluiden hoher Wärmekapazität und/oder Wärmeleitfähigkeit geflutet werden.
Die Figur 5 zeigt eine fünfte erfindungsgemäße Ausführungsform eines
erfindungsgemäßen Substrathalters 1 , der zusätzlich zu den in Figur 3 genannten Merkmalen über Vertiefungen 9, die mit Noppen und/oder Nadeln und/oder Podesten 10 aufgefüllt sind, verfügt, um den Kontakt zwischen der nicht
dargestellten Rückseite des nicht dargestellten ersten Substrats 1 1 ' zu minimieren und eine weitestgehend vollflächige Stützung des ersten Substrats 1 1 zu
gewährleisten. Diese Minimierung dient ebenfalls der Vermeidung von,
insbesondere metallischer, Kontamination. Die Vertiefungen 9 können zur
Steigerung der Wärmekopplung mit Fluiden hoher Wärmekapazität und/oder Wärmeleitfähigkeit geflutet werden.
Die Figur 6a zeigt einen ersten Schritt eines beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei sich anfänglich ein erstes, oberes Substrat 1 1 in einem Abstand dl von einem zweiten, unteren Substrat 1 1 ' befindet. Dieser Prozessschritt findet im zuvor bereits definierten Bereich a des dazugehörigen T-t Diagramms statt. Die Substrate 1 1 , 1 1 ' nähern sich einander an, wobei die thermische Beeinflussung des oberen, ersten Substrats 11 durch das untere, zweite Substrat 1 1 ' bzw. einen unteren Substrathalter 14 aufgrund des relativ großen Abstands, wie bereits oben beschrieben, weitestgehend ausgeschlossen ist.
In einem darauf folgenden Schritt erfolgt die Annäherung der beiden Substrate 1 1 , 11 ' zueinander auf einen Abstand d2. Das System befindet sich zu diesem Zeitpunkt im zuvor bereits definierten Bereich b, dem sogenannten
Grobannäherungsbereich, in dem bereits eine relativ geringe Erwärmung des oberen, ersten Substrats 1 1 , insbesondere durch die Wärmestrahlung des unteren Substrats 1 Γ, erfolgt.
In einem darauf folgenden Schritt erfolgt die weitere Annäherung der beiden Substrate 1 1 , 1 1 ' zueinander auf einen, wie oben bereits beschrieben
wohldefinierten, Abstand d3. Das System befindet sich zu diesem Zeitpunkt im zuvor bereits definierten Bereich c, dem sogenannten Nahannäherungsbereich, in dem eine sprunghafte Erwärmung des oberen, ersten Substrats 1 1 , insbesondere durch Wärmestrahlung und Wärmekonvektion, erfolgt.
In einem darauf folgenden Schritt gemäß Figur 6d erfolgt der Bondvorgang der beiden Substrate 11 , 1 1 ' . Die Substrate 1 1 , 1 1 ' befinden sich konstant im Abstand d3. Die Substrate 1 1 , 1 1 ' befinden sich zu diesem Zeitpunkt im zuvor bereits definierten Bereich d, dem sogenannten Bondbereich, in dem die Temperatur T4o für eine Zeitspanne tl konstant ist.
In einem darauf folgenden Schritt gemäß Figur 6e erfolgt die Abkühlung der Substrate 11 und/oder 1 1 ' im zuvor bereits definierten Bereich e. Die Abkühlung ist wiederum ein Anpassungsvorgang der Temperatur des oberen, ersten Substrats 1 1 an die Umgebungstemperatur, insbesondere der Temperatur der umgebenden Atmosphäre, und/oder des unteren, zweiten Substrats 11 ' bzw. unteren
Substrathalters 14. Zu diesem Zeitpunkt erfolgte aber bereits die Verbindung der beiden Substrate 1 1, 1 Γ , insbesondere durch einen Pre-Bond.
Auf die Darstellung des zuvor bereits definierten Bereiches f durch eine weitere Figur wird verzichtet, da sich daraus keine wesentlichen Erkenntnisse gewinnen lassen. Wie im Beschreibungstext bereits offenbart wurde, könnte der
Bondvorgang auch in dem konstanten Temperaturbereich im Bereich f erfolgen. Die Figur 7 a zeigt ein zuvor bereits beschriebenes Temperatur-Zeit Diagramm, mit den zuvor bereits definierten sechs charakteristischen Temperaturbereichen a, b, c, d, e, f, die auf der oberen waagerechten Achse angegeben sind. Auf der unteren waagerechten Achse ist die Zeit t in Sekunden angegeben, auf der linken
senkrechten Achse ist die Temperatur T in Kelvin aufgetragen. Auf der rechten senkrechten Achse ist der unskalierte (a.u.) Abstand d zwischen den beiden
Substraten 1 1 und 11 ' aufgetragen. Weiterhin sind vier Temperaturgraphen 12, 12 ' , 12" und 12" ' eingezeichnet. Der Temperaturgraph 12 stellt die Temperatur des ersten Substrats 11 dar. Der Temperaturgraph 12' stellt die Temperatur des Wärmeleitungskörpers 2, 2', 2 " , 2" ', 2IV dar, die mehr oder weniger mit der Temperatur Tk des Kühlfluids übereinstimmt. Vor der Annäherung der beiden Substrate 11 , 1 1 ' aneinander entspricht sie auch ungefähr der Temperatur Tl o des oberen Substrats 1 1. Der Temperaturgraph 12"stellt die Temperatur des zweiten Substrats 1 1 ' dar. Der Temperaturgraph 12" ' stellt die Temperatur des unteren Substrathalters 14 dar. Ist die thermische Ankopplung zwischen dem zweiten Substrat 1 1 ' und dem unteren Substrathalter 14 groß genug, sind dieses beiden Temperaturen nahezu identisch.
Außerdem ist ein Abstandsgraph 13 angegeben, der den Abstand d zwischen den beiden Substraten 1 1 und 1 Γ angibt. Der Abstandsgraph 13 ist ausschließlich symbolisch zu interpretieren und wird in Wirklichkeit einen sanfteren Übergang vom Bereich c in den Bereich d aufzeigen, da die Substrate j a negativ
beschleunigt, also abgebremst, werden müssen. Insbesondere können die Substrate ihre Geschwindigkeit auch in der Annäherungsphase ändern. Die
Temperaturdifferenz ΔΤ zwischen der Temperatur des unteren Substrats und der Temperatur des oberen Substrats im Temperatursättigungsbereich d kann durch die thermischen Widerstände und/oder die Wärmequelle, insbesondere einem Heizer im unteren Probenhalter 14, und/oder einer Wärmesenke, insbesondere dem
Kühlfluid, exakt und reproduzierbar eingestellt werden. Die Verläufe des Temperaturgraphen 12 und des Abstandsgraphen 13 während eines beispielhaften erfindungsgemäßen Verfahrens stellen sich wie folgt dar: Zu Beginn des Verfahrens d.h. ganz links auf der Zeitskala in dem mit a
gekennzeichneten Bereich (so genannter Temperaturbereich a) werden die beiden Substrate 1 1 , 1 1 ' einander angenähert, sodass sich der Abstand d zwischen den Substraten 1 1, 1 1 ' verringert. Zu Beginn des Verfahrens beträgt der Abstand zwischen den beiden Substraten 1 1 , 1 1 ' dl , welcher sukzessive verringert wird. In Temperaturbereich a beträgt die Temperatur des ersten bzw, oberen Substrats 1 1 praktisch konstant T l o.
Auf den Temperaturbereich a folgt zeitlich gesehen der Temperaturbereich b, in dem die Temperatur des Substrats 1 1 relativ gering ansteigt
(Temperaturkurventeilstück T2o), während der Abstand d zwischen den Substraten 1 1, 1 1 ' weiter verringert wird.
Auf den Temperaturbereich b folgt zeitlich gesehen der Temperaturbereich c, in welchem die Temperatur des Substrats 1 1 im Vergleich zum Temperaturbereich b relativ stark ansteigt (Temperaturkurventeilstück T3o), während der Abstand d zwischen den Substraten 1 1 , 1 1 ' weiter verringert wird. Am Ende des
Temperaturbereichs c ist der endgültige praktisch konstante Abstand d zwischen den Substraten 1 1 , 1 1 ' erreicht.
Auf den Temperaturbereich c folgt der Temperaturbereich d, in dem der Abstand d konstant bleibt und die Temperatur T4o des ersten Substrats 1 1 praktisch konstant ist. Gleiches gilt für die Temperaturdifferenz ΔΤ zwischen dem unteren Substrat 1 1 ' und dem oberen Substrat 1 1. Diese konstante Temperatur T4o wird eine Zeitspanne tl gehalten. Es ist insbesondere darauf hinzuweisen, dass der Übergang vom Temperaturbereich c (sogenannter Nahannäherungsbereich c) in den
Temperaturbereich d (sogenannter Bondbereich d) sprunghaft erfolgt. Auf den Temperaturbereich d folgt der Temperaturbereich e, in dem die Temperatur des Substrats 1 1 absinkt (Temperaturkurventeilstück T5o), während der Abstand d praktisch konstant bleibt. Im darauf folgenden Temperaturbereich f liegt praktisch konstante Temperatur des Substrats 1 1 vor (siehe
Temperaturkurventeilstück T6o).
Die Figur 7b zeigt ein anderes Temperatur-Zeit Diagramm, mit den zuvor bereits definierten sechs charakteristischen Temperaturbereichen a, b, c\ d \ e, f. Der Abstandsgraph 13 ist identisch mit demjenigen aus Figur 7a. Der Temperaturgraph 12 entspricht demjenigen aus der Figur 7a in den Temperaturbereichen a, b, c, f, sodass zu diesen Bereichen auf die Erläuterungen zur Figur 7a verwiesen wird. Der Unterschied zur Figur 7a findet sich in den Bereichen c' und d' im Vergleich zu den Bereichen c und d der Figur 7a. In diesem Beispiel erfolgt der Übergang vom Nahannäherungsberiech c' in den Bondbereich d' nicht sprunghaft wie in Figur 7a sondern kontinuierlich.
Die Figur 8 zeigt in den Abbildungen I. bis VII. mehrere, oben bereits
angesprochene bzw. definierte, mögliche Overlay Fehler zwischen oberen
Strukturen 15 eines oberen Substrats 11 und unteren Strukturen 15' eines unteren Substrats 1 1 ', von denen zumindest einige mit der Erfindung vermieden werden können. Einige der Overlay Fehler sind unter dem Namen run-out Fehler bekannt.
Bei dem Overlay Fehler gemäß Fig. 8-1. handelt es sich um eine nicht
deckungsgleiche Überlappung einer oberen Struktur 15 und einer unteren Struktur 15 ' als typisches Resultat eines run-out Fehlers. Die Strukturen 15, 15 ' sind zwar form- aber nicht deckungsgleich. Die Ursache eines derartigen Fehlers ist (i) eine grundsätzlich falsche Herstellung der Strukturen 15, 15 ' auf den Substraten 1 1 , 1 1 " und/oder (ii) eine Verzerrung der Strukturen 15, 15 ', insbesondere durch eine Verzerrung der Substrate 1 1 , 1 1 ' , vor dem Bonden und/oder (iü) eine Verzerrung der Strukturen 15 , 15 ', insbesondere durch eine Verzerrung der Substrate 11 , 1 1 ', während des Bondens. Eine weitere Möglichkeit besteht in einer globalen
Verschiebung, der beiden Substrate 1 1 , 1 1 ' zueinander. In diesem Fall läge allerdings ein grundsätzliches Ausrichtungsproblem der globalen Ausrichtung zweier Substrate zueinander vor, das selten mit dem Begriff run-out assoziiert wird.
Die Fig. 8-Π. zeigt einen weiteren Overlay Fehler zweier zueinander rotierter Strukturen 15 und 15 * . Die Rotation der beiden Strukturen 15 und 15 ' zueinander ist übertrieben dargestellt und macht in der Realität nur einige wenige Grad, insbesondere nur einige wenige zehntel Grad aus. Sie kommt dann zustande, wenn die beiden Strukturen 15, 15' entweder (i) nicht richtig auf den beiden Substraten 11 und 1 1 ' hergestellt wurden und/oder (ii) es vor dem Bondvorgang zu einer, insbesondere örtlichen Verzerrung in der Nähe der Strukturen 15, 15 ' kommt, die zu einer entsprechend, insbesondere lokalen, Drehung der beiden Strukturen 15, 15' zueinander führt und/oder (iii) es während des Bondvorgang zu einer, insbesondere örtlichen Verzerrung in der Nähe der Strukturen 15, 15 ' kommt, die zu einer entsprechend, insbesondere lokalen, Drehung der beiden Strukturen 15, 15 ' zueinander führt. Ein weitere Möglichkeit besteht in einer globalen
Verdrehung der beiden Substrate 1 1 , 1 1 ' zueinander. In diesem Fall müsste ein Overlay Fehler der Art 8-II an mehreren Positionen zwischen den beiden
Substraten 1 1, 1 1 ' , insbesondere radial von Innen nach Außen zunehmend, erkennbar sein.
Die Overlay Fehler gemäß den Figuren 8-III. bis 8-VII. sind vorwiegend
Skalierungsfehler, die durch eine (i) falsche Herstellung und/oder (ii) Verzerrung der Strukturen 15, 15 ', insbesondere durch eine Verzerrung der Substrate 11 , 1 1 ' vor dem Bonden und/oder (ii) Verzerrung der Strukturen 15, 15', insbesondere durch eine Verzerrung der Substrate 1 1, 1 1 ' während des Bondens entstehen. Sie werden typischerweise nicht als run-out Fehler bezeichnet. Die Figur 9 zeigt eine schernatische, nicht maßstabsgetreue, geschnittene Teilansicht eines erfindungsgemäßen Substrathalters mit einem wie zuvor beschriebenen Ersatzschaltbild der thermischen Widerstände Rthl bis Rth8.
Die thermischen Widerstände Rthl bis Rth3 sollen minimal sein, um eine maximale Wärmeleitung vom unteren Substrathalter 14, der insbesondere über eine Heizvorrichtung (nicht eingezeichnet) verfügt, zum unteren Substrat 1 1 ' zu ermöglichen. Dadurch wird erfindungsgemäß eine effiziente und schnelle
Erwärmung des unteren Substrats 1 1 ' ermöglicht. Des Weiteren kann durch eine Kette minimaler thermischer Widerstände sehr schnell eine Änderung der
Temperatur T lu des unteren Substrats 1 1 ' bewerkstelligt werden.
Der thermische Widerstand Rth4 sollte erfindungsgemäß maximal s ein. Im, rein theoretischen, Idealfall eines unendlich großen thermischen Widerstands Rth4 würde keine Wärmemenge vom unteren Substrat 1 1 ' zum oberen Substrat 11 gelangen. Durch die Endlichkeit des thermischen Widerstands Rth4 gelangt immer eine nicht verschwindend geringe Menge an Wärme vom unteren Substrat 1 1 ' zum oberen Substrat 1 1. Durch die Wahl eines Vakuums oder eine speziellen
Gasmischung zwischen den beiden Substraten 1 1 und 1 1 ' kann der thermische Widerstand Rth4 relativ leicht und exakt eingestellt werden.
Die thermischen Widerstände Rth5 bis Rth8 sollten erfindungsgemäß wiederum minimal sein, um eine möglichst maximale und daher effiziente Wärmeleitung zwischen dem Kühlfluid, insbesondere der Atmosphäre, und dem oberen Substrat 11 zu ermöglichen. Von erfindungsgemäßer und entscheidender Bedeutung ist die korrekte, gezielte und wiederholbare Einstellung einer oberen Temperatur T4o bzw. der Temperaturdifferenz ΔΤ zwischen der Temperatur T4o des oberen
Substrats 1 1 und der Temperatur Tlu des unteren Substrats 1 1 ' während des Bondvorgangs im Temperatursättigungsbereich d. Dies wird erfindungsgemäß vor allem durch (i) die gezielte Auswahl von mindestens einem der thermischen Widerstände Rthl bis Rth8 und/oder (ii) der Einstellung der unteren Temperatur Tlu~Tp, insbesondere durch eine Heizvorrichtung im unteren Substrathalter 14 und/oder (iii) der Einstellung der oberen Temperatur Tl o-Tk, insbesondere durch das erfindungsgemäße ühlfluid.
B e zug s z ei chen l i s te
Substrathalter
Wärmeleitungskörper
Rippen
Rippenoberfläche
Fixierteil
Fixieroberfläche
Fixierelement
Grenzfläche
Bohrung
Verformungselement
Vertiefung/Ausnahme/Aushebung
Noppen/Nadeln
Substrat
Temperaturgraph
Abstandsgraph
Unterer Substrathalter
Struktur
Substratabstand
Zeitspanne
Temperatur/Temperaturkurventeilstücke Temperatur/Temperaturkurventeilstücke Temperatur Substrathalter
Temperatur Wärmeleitungskörper Temperatur Kühlfluid
Temperaturbereiche

Claims

P aten tan s prü che
Substrathalter (1, 1', 1", ", 1 ), aufweisend eine Fixieroberfläche (4o) zur Halterung eines Substrats (11, 1Γ), dadurch gekennzeichnet, dass der Substrathalter (1, Γ, l'\ 1 "', 1ϊν) einen Wärmeleitungskörper (2, V, 2", 2'", 2,v) zur Abführung von Wärrae von der Fixieroberfläche (4o) weg aufweist.
Substrathalter (1, 1', 1", 1'", 1ϊν) nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, dass der Wärmeleitungskörper (2, 2', 2", 2"',
2!V), insbesondere an seiner der Fixieroberfläche (4o) abgewandten Seite, Rippen (3) zur Abführung der Wärme aufweist.
Substrathalter (1, 1', 1", 1'", 11V) nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, dass die Rippen
(3) senkrecht zur Fixieroberfläche (4o) und/oder parallel zueinander angeordnet sind.
4. Substrathalter (1, 1', 1", 1"\ 1IV) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeleitungskörper (2, 2', 2", 2"', 2 ) auch zur Zuführung von Wärme zur Fixieroberfläche (4o) ausgebildet ist.
5. Substrathalter (1, 1% 1", 1 "', 11V) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixieroberfiäche (4o) einteilig mit dem Wärmeleitungskörper (2, 2', 2", 2"\ 2IV) ausgebildet ist.
6. Substrathalter (1, 1 ', 1", 1**', 1IV) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Substrathalter (1, 1', 1", 1"', 1IV) ein Verformungselement (8) zur Verformung des Substrats (11, 11') aufweist.
7. Substrathalter (1, 1', 1", 1'", liV) nach Anspruch 6, dadurch
gekennzeichnet, dass das Verformungselement (8) mittig im Substrathalter (1, Γ, 1", 1'", 1IV) angeordnet ist.
8. Substrathalter (1, 1', 1", 1"', l,v) nach Anspruch 6 oder Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass das Verformungselement (8) derart
ausgebildet ist, dass das Substrat (11, 11') von der Fixieroberfiäche (4o) weg verformbar ist.
9. Substrathalter (1, Γ, 1", 1"', liV) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in, an und/oder auf der
Fixieroberfiäche (4o) Fixierelemente (5) zur Fixierung des Substrats (11, 11') angeordnet sind.
10. Substrathalter (1, Γ, Γ', 1"\ 1IV) nach Anspruch 9, dadurch
gekennzeichnet, dass die Fixierelemente (5) zumindest teilweise
Vakuumbahnen sind.
11. Substrathalter (1, 1\ 1", ", l,v) nach einem der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die spezifische Wärmekapazität des Wärmeleitungskörpers (2, 2\ 2'\ 2'", 2!V) größer ist als 0.1 kJ/(kg*K), vorzugsweise größer als 0.5 kJ/(kg*K), noch bevorzugter größer als 1 kJ/(kg* ), am bevorzugtesten größer als 10 kJ/(kg*K), am
allerbevorzugtesten größer als 20 kJ/(kg*K).
12. Anlage zum Bonden eines ersten Substrats (11) mit einem zweiten Substrat (11'), aufweisend mindestens einen, insbesondere oberen, Substrathalter (1, 1', 1", 1"', 1IV) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Halterung mindestens eines der beiden Substrate (11, II4).
13. Verwendung eines Substrathalters (1, 1', 1", 1"', 1IV) nach einem der
Ansprüche 1 bis 11 als oberer Substrathalter (1, 1 ', 1", 1"', 1IV).
14. Verfahren zum Bonden eines ersten Substrats (11) mit einem zweiten
Substrat (11'), wobei die Substrate (11, Π') in einem ersten Schritt aneinander angenähert werden, sodass sich die Temperatur (T2o, T3o) des ersten Substrats (11) erhöht, wobei in einem zweiten Schritt die Annäherung der Substrate (11, 11') gestoppt und ein Abstand (d3) zwischen den
Substraten (11, 11 ') derart konstant gehalten wird, dass sich bei konstantem Abstand (d3) zumindest eine Zeitspanne (tl) lang eine konstante Temperatur (T4o) des ersten Substrats (11) einstellt, wobei in einem dritten Schritt innerhalb der Zeitspanne (tl) bei konstanter Temperatur (T4o) des ersten Substrats (11) die beiden Substrate (11, 1 Γ), zumindest temporär,
miteinander verbondet werden.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (d3), bei dem sich die Zeitspanne (tl) lang die konstante Temperatur (T4o) einstellt, zwischen 1 mm und 0 mm, vorzugsweise zwischen 100 μπι und 0 μπι, noch bevorzugter zwischen 10 μπ und 0 μηι, am bevorzugtesten zwischen 1 μηι und 0 μιη liegt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitspanne (tl), während der sich bei konstantem Abstand (d3) die konstante Temperatur (T4o) einstellt, mehr als 5 Sekunden, bevorzugt mehr als 10 Sekunden, weiter bevorzugt mehr als 15 Sekunden, noch weiter bevorzugt mehr als 20 Sekunden, am bevorzugtesten mehr als 25 Sekunden beträgt.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Zeitspanne (tl), der Abstand (d3) und/oder die konstante
Temperatur (T4o) vor dem ersten Schritt bestimmt werden, insbesondere empirisch, bevorzugt unter Berücksichtigung der Temperatur des zweiten Substrats (IT), der Materialien der Substrathalter (14, 1, Γ, 1", Γ*\ 1IV), der Wärmeleitungskörper (2, 2', 2", 2'", 2JV) und/oder der Substrate (11, 11') und/oder der Annäherungsgeschwindigkeit.
18. Produkt, insbesondere Substratstapel, aufweisend ein erstes Substrat (11) und ein zweites Substrat (11'), wobei die Substrate (11, 11') mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17 miteinander verbondet sind.
19. Verwendung eines Substrathalters (1, 1', 1", 1"\ l,v) nach einem der
Ansprüche 1 bis 11, zur Halterung eines Substrats (11, 11') während eines Verfahrens gemäß den Ansprüchen 14 bis 17.
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