EP4620024A1 - Verfahren und vorrichtung zum bonden von substraten - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum bonden von substraten

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Publication number
EP4620024A1
EP4620024A1 EP22818074.1A EP22818074A EP4620024A1 EP 4620024 A1 EP4620024 A1 EP 4620024A1 EP 22818074 A EP22818074 A EP 22818074A EP 4620024 A1 EP4620024 A1 EP 4620024A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
substrate
substrate holder
bonding
substrates
fixing
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22818074.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Friedrich Paul Lindner
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
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by EV Group E Thallner GmbH filed Critical EV Group E Thallner GmbH
Publication of EP4620024A1 publication Critical patent/EP4620024A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10P—GENERIC PROCESSES OR APPARATUS FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10P10/00—Bonding of wafers, substrates or parts of devices
    • H10P10/12—Bonding of semiconductor wafers or semiconductor substrates to semiconductor wafers or semiconductor substrates
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10P—GENERIC PROCESSES OR APPARATUS FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10P72/00—Handling or holding of wafers, substrates or devices during manufacture or treatment thereof
    • H10P72/04—Apparatus for manufacture or treatment
    • H10P72/0428—Apparatus for mechanical treatment or grinding or cutting
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10P—GENERIC PROCESSES OR APPARATUS FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10P72/00—Handling or holding of wafers, substrates or devices during manufacture or treatment thereof
    • H10P72/70—Handling or holding of wafers, substrates or devices during manufacture or treatment thereof for supporting or gripping
    • H10P72/72—Handling or holding of wafers, substrates or devices during manufacture or treatment thereof for supporting or gripping using electrostatic chucks
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10P—GENERIC PROCESSES OR APPARATUS FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF DEVICES COVERED BY CLASS H10
    • H10P72/00—Handling or holding of wafers, substrates or devices during manufacture or treatment thereof
    • H10P72/70—Handling or holding of wafers, substrates or devices during manufacture or treatment thereof for supporting or gripping
    • H10P72/76—Handling or holding of wafers, substrates or devices during manufacture or treatment thereof for supporting or gripping using mechanical means, e.g. clamps or pinches
    • H10P72/7604—Handling or holding of wafers, substrates or devices during manufacture or treatment thereof for supporting or gripping using mechanical means, e.g. clamps or pinches the wafers being placed on a susceptor, stage or support
    • H10P72/7618—Handling or holding of wafers, substrates or devices during manufacture or treatment thereof for supporting or gripping using mechanical means, e.g. clamps or pinches the wafers being placed on a susceptor, stage or support characterised by a movable susceptor, stage or support, others than those only rotating on their own vertical axis, e.g. susceptors on a rotating carrousel

Definitions

  • the present invention relates to a method and a device for bonding substrates, in particular wafers.
  • substrates are aligned with one another, contacted with one another and connected to one another.
  • the substrates are each held in a substrate receiving device, in particular a vacuum substrate holder, and the substrate surfaces to be connected are precisely aligned with one another before bonding.
  • the aim is to create a connection that is as full-surface and free of distortion and stretching as possible.
  • the upper and lower substrates are loaded in the bonding orientation so that the bonding side of the upper substrate and the bonding side of the lower substrate are already facing each other before bonding.
  • This has the advantage that the bonding devices take up less space because the upper substrate holder does not have to be turned, rotated or moved, but the different adhesive forces acting on the upper and lower substrate holders produce different tensions in the substrates to be bonded.
  • the upper and lower substrates are loaded in the bonding orientation.
  • the upper substrate is deformed using deformation means, in particular a mechanical pin, whereby the deformation means act on the side facing away from the bonding side, in particular due to their shape.
  • the start of contacting is influenced by the centric deformation of the upper substrate with the pin, while after contacting the upper substrate is released and bonds automatically to the opposite substrate due to its prestress.
  • at least one substrate is no longer fixed to the holding device during the bonding process.
  • the upper and lower holding devices are not constructed identically due to the different designs and thus provide different voltage patterns due to the loading or fixation in the substrates.
  • fixing means are provided for at least partially pre-fixing the aligned substrate on the carrier substrate. Both substrates are loaded one on top of the other in the bonding orientation. Spacers are used to maintain a distance between the substrate and the carrier substrate during alignment before a force-controlled actuator acting in the center acts on the substrate stack to fix the substrates.
  • the bonding or pre-bonding takes place entirely without prior fixing of the upper substrate on an upper holding device.
  • both substrates are loaded from above.
  • both substrates are placed opposite each other in the bonding orientation parallel to each other for bonding.
  • a pin penetrates the upper holding device and starts the bonding process by centrally bending the upper substrate.
  • the upper substrate is released from the fixation.
  • the upper substrate receiving device is rotated 180° around its own axis for bonding.
  • the upper substrate receiving device is moved between a substrate loading position and a substrate bonding position.
  • the advantage here is easier control of the alignment of the structured substrate on the receiving device from the free upper side.
  • the symmetrical design of all features of the upper and lower substrate holding devices is not intended as these are designed differently due to the construction of the device. In addition, different holding forces are provided in different patterns.
  • the substrates to be bonded are often structured and coated with up to several layers of different materials. These pre-process steps generate mechanical stresses that can distort the wafer in its free form.
  • the distortion manifests itself, for example, in the form of a tendency to warp, bends, distortions and/or local deformations. As soon as one of the substrates to be bonded is not or no longer fixed to a substrate holder during the bonding process, part of this stress is built into the bonding interface as distortion.
  • the crystal structure of the substrate material also determines whether properties are isotropic or anisotropic and can therefore have an influence on the bonding process.
  • the mechanical properties of silicon (Si), for example, are anisotropic.
  • Monocrystalline silicon has a different modulus of elasticity (E-modulus) in different directions. This different stiffness allows a generated bond wave to progress unevenly. These differences in stiffness have a greater effect when the substrate, especially the upper substrate, is released from the fixation of the substrate holder during bonding. Due to the direction dependence of the E-modulus, other mechanical properties, especially the strains, are also direction dependent.
  • substrates have been connected to one another in the semiconductor industry using so-called bonding processes. Before the connection, these substrates must be aligned as precisely as possible, whereby deviations in the nanometer range now play a role.
  • the alignment of the substrates is usually carried out using alignment marks. In addition to the alignment marks, other, particularly functional elements on the substrates, which must also be aligned with each other during the bonding process.
  • the substrates to be bonded are often structured and coated with up to several layers of different materials. These pre-process steps generate mechanical stresses that can distort the wafer in its free form. In addition to mechanical stresses from pre-process steps, further stress patterns can arise when loading the substrates.
  • the components of the holding device that can influence the substrate shape and lead to loading stress include in particular the loading pins and the fixing and support elements as well as other surface features of the holding device.
  • the residual stress has a particularly strong effect on thin substrates or thin substrate stacks. Thinned substrates must be used and maintained in their original, preferably flat, shape. It is therefore the object of the invention to at least partially eliminate, in particular completely eliminate, the disadvantages listed in the prior art. In particular, it is an object of the invention to show improved methods and devices for the floor. Furthermore, it is an object of the invention to produce a bonded substrate stack with minimal residual stress.
  • the bonding result can be improved if, in addition to the mechanical stresses that were already generated in the substrate in pre-process steps, new stress patterns are compensated or prevented by design features of the substrate receiving device that come into direct contact with the substrate, such as during the substrate loading process of the substrates on the substrate receiving device.
  • the stress patterns are different in the upper and lower substrate due to different effects. For example, due to the different design of the upper and lower substrate receiving device, in particular the substrate holder surface, the fixing elements and holding forces, different stress patterns are generated in the substrates to be bonded.
  • a force especially the gravitational force, acts on substrates that rest on loading pins or structures of the holding surface, a asymmetric deformation.
  • This asymmetric deformation is still present during the contact between the two substrates and/or during the bonding process and leads to an asymmetric propagation of the bonding wavefront and thus to an undesirable run-out effect.
  • the method and the device for bonding in particular, improve the bonding result through the proposed feature combinations.
  • the invention relates to a method for bonding substrates with the following steps, in particular with the following sequence: i) providing a first substrate on a first substrate holder surface of a first substrate holder and a second substrate on a second substrate holder surface of a second substrate holder, ii) fixing the first substrate to the first substrate holder and the second substrate to the second substrate holder in a loading state, iii) positioning the second substrate holder relative to the first substrate holder in a bonding position so that the first substrate and the second substrate face each other with surfaces to be bonded, iv) bonding the first substrate to the second substrate, wherein in the loading state the first substrate holder surface and the second substrate holder surface are arranged at the same angle relative to the earth's gravity, and wherein in the loading state the first substrate holder surface and the second substrate holder surface are aligned in the same direction relative to the earth's gravity and wherein when fixing the first substrate and the second substrate, identical holding forces are exerted on the first substrate and on the following sequence
  • two substrates are provided under identical gravity conditions on the substrate holders that are aligned in the same way relative to the weight force, and identical holding forces are provided on the substrates for fixing.
  • the symmetrical arrangement of the fixing elements on the substrate holders in relation to the bonding interface in the bonding position is particularly preferred.
  • the substrates or the substrate holder surfaces are particularly preferably positioned symmetrically to one another and parallel to one another, so that the surfaces to be bonded face one another.
  • Symmetrical positioning or alignment means that the fixing locations, holding forces at the fixing locations and contact surfaces of the substrate holders are congruent or are symmetrical due to the mirroring on the plane spanned between the substrates. In other words, all features that influence the tension in the substrates in the loaded state are aligned.
  • the first substrate and the second substrate are preferably of the same dimensions.
  • the substrates have the same weight.
  • the first substrate holder surface is designed symmetrically to the second substrate holder surface, in particular axially symmetrically.
  • the substrate holder surfaces preferably correspond in such a way that in the loading state the support surfaces of the respective substrate holder surfaces are arranged symmetrically to one another and during bonding the opposite support surfaces are aligned.
  • the substrate holder surfaces are in particular the surfaces of the substrate holders on which the substrates rest.
  • the substrate holder surfaces comprise, for example, loading pins, elevations or full-surface surfaces with recesses for fixing agents.
  • the substrate holders or the substrate holder surfaces and thus the substrates are arranged equally in relation to the acting weight force.
  • the substrate holder surfaces aligned in the same direction with respect to the weight force.
  • both substrate holder surfaces are aligned upwards or downwards.
  • the substrates are not loaded from above and below, but both equally, so that gravity acts in an identical manner at the time of loading and the same tension, in particular the same tension pattern, acts on both substrates when the identical holding forces are applied.
  • the surfaces of the substrates to be bonded do not lie on the substrate holder surface, but point away from the substrate holders.
  • the substrate holders are preferably both perpendicular or horizontal to the earth's gravity.
  • the substrate holders which are preferably arranged side by side, have the same angle relative to the earth's gravity when loaded. The slightly different gravity due to the offset arrangement and a slightly different distance to the earth's center can be neglected.
  • the positioning can be done arbitrarily and can include moving both substrate holders in all directions.
  • the substrates to be bonded are loaded in a minimally invasive manner into appropriate holding devices in the same alignment with the earth's gravity and held by means of identical or symmetrical holding forces acting on the two substrates. Different holding forces are usually provided, since the substrates to be bonded rest on the lower substrate holder after positioning and must be held on the upper one.
  • the upper Substrate holders usually have a greater holding force because the weight of the fixed upper substrate must also be compensated.
  • the symmetry preferably also refers to all other components of the substrate holder which can influence the tension in the substrates (support surfaces, type of fixing elements, alignment marks, hoses, etc.). An axially symmetrical arrangement of all components is preferred.
  • the first substrate rests on the first substrate holder surface and the second substrate rests on the second substrate holder surface.
  • resting is meant that the first substrate and the second substrate rest on the substrate holder surfaces, which are still identically aligned, due to their own weight and theoretically do not need to be fixed.
  • the surfaces to be bonded are both aligned against the force of gravity, while the backs of the substrates rest on the substrate holder surfaces. In this way, a particularly advantageous and stress-free loading can be carried out.
  • the angle is a vertical angle.
  • the same angle at which the substrate holder surfaces are aligned relative to gravity is 90°.
  • the substrates and the substrate holder surfaces are preferably flat. The substrates are thus also aligned virtually parallel to the force of gravity and consequently to the center of the earth. In this way, a particularly good bonding result can be achieved. Furthermore, slipping of the substrates can be prevented.
  • the identical holding forces are provided in a pattern corresponding to each other on the first substrate and the second substrate, so that in the bonding position the pattern of the holding forces is aligned.
  • the opposing substrate surfaces are congruent with respect to the fixing pattern provided.
  • the identical holding forces are therefore provided in positions that are exactly opposite each other. This ensures that the stresses prevailing in the substrates due to the fixation on the opposing areas of the substrate surfaces in the bonding position are of the same size and positioned in the same way.
  • the stress distribution in the first substrate is thus aligned with the stress distribution in the second substrate in the bonding position.
  • the holding forces are thus provided, for example, in an axially symmetrical arrangement, so that a simple pivoting is sufficient for positioning.
  • the fixing of the first substrate and the second substrate takes place simultaneously and within the same period of time.
  • the holding forces are applied within the same time and take place simultaneously.
  • the increase in the holding force per unit of time is preferably also identical at the same points. In this way, an even better bonding result can be achieved.
  • the positioning includes pivoting the second substrate holder by 180°.
  • pivoting the second substrate holder forms the positioning so that the first substrate holder does not have to be moved.
  • the substrate holders may require the substrate holders to be brought closer together. Swiveling the second substrate holder by 180° around the axis of symmetry can advantageously result in a particularly simple and error-free transfer to the bonding position.
  • the second substrate holder is preferably aligned exactly perpendicular to the direction in the loading state.
  • the positioning includes pivoting the first substrate holder and the second substrate holder by 90° towards each other. Both substrate holders are pivoted along the axis of symmetry or through parallel center axes in the respective center of the substrate holder. In this way, the gravity for the first and second substrate is the same even after positioning if the alignment to the earth's gravity was perpendicular in the loaded state.
  • the first substrate holder surface and the second substrate holder surface are aligned exactly perpendicular to gravity in the loaded state. The bonding result can thus be improved by pivoting on both sides.
  • the identical holding forces are maintained while the ground. In this way, the identical holding forces not only during fixation and transfer or positioning into the bonding position, but also afterwards until the bonding is complete. In this way, the residual stresses due to the loading can be balanced out and the bonding result is improved.
  • the invention relates to a device for bonding substrates, at least comprising a first substrate holder with a first substrate holder surface, first fixing means for fixing a first substrate to the first substrate holder surface, a second substrate holder with a second substrate holder surface, second fixing means for fixing a second substrate to the second substrate holder surface, and positioning means for positioning the second substrate holder relative to the first substrate holder, wherein the device can be transferred to a loading state in which the first substrate holder surface and the second substrate holder surface are arranged at the same angle relative to the earth's gravity, wherein in the loading state the first substrate holder surface and the second substrate holder surface are aligned in the same direction relative to the earth's gravity and wherein the first fixing means and the second fixing means are designed to provide identical holding forces for fixing in the loading state.
  • the first fixing means and the second fixing means act in an identical manner on a first substrate and a second substrate.
  • the device is designed so that the holding forces provided by the first fixing means and the second fixing means are of the same magnitude.
  • the fixing means are particularly preferably designed to provide the identical holding forces simultaneously and within the same period of time.
  • the increase per unit of time in the holding forces is preferably also identical for the fixing means or the device is designed to do so.
  • the device is set up so that in the loading state the first substrate holder surface and the second substrate holder surface are arranged parallel and offset next to one another.
  • a center point of the substrate holder surfaces is offset in relation to the direction.
  • the first substrate holder surface and the second substrate holder surface are arranged offset next to one another in such a way that they are not aligned but are spaced apart from one another at the same angle. In this way, a particularly uniform loading can take place and the bonding result can be improved.
  • the second substrate holder can be pivoted from the loading state into a bonding position.
  • the bonding position is characterized in particular by the substrate holder surfaces facing each other and aligned parallel to each other, so that bonding can only take place by approaching.
  • Approaching means can be provided for this purpose.
  • the bonding result can advantageously be improved.
  • the design of the device as a flip bonder is preferred.
  • the positioning means comprise a pivot joint. In this way, the substrate holder can be positioned particularly easily and precisely around the pivot axis, thereby improving the bonding result.
  • the second fixing means are arranged axially symmetrically to the first fixing means in the loading state.
  • the tension patterns of the substrates are aligned or the substrate holder surfaces and the fixing elements are aligned, i.e. in the bonding position.
  • all features and components of the two substrate holders that influence the tension in the substrates are particularly preferably axially symmetrical.
  • the axial symmetry is preferably defined by a mirror axis which runs through the swivel joint.
  • the first substrate holder surface and the second substrate holder surface, in particular the first and second fixing means are arranged symmetrically with respect to the swivel axis, so that after swiveling into the bonding position, the arrangement of the fixing elements is aligned with one another. If the first substrate holder and the second substrate holder are arranged offset next to one another at different heights in the loading state, the mirror axis runs through the plane which is spanned by the swivel axis and the specific angle of the substrate holder in the loading state.
  • the pattern of the fixing elements is designed to correspond to one another, so that after transfer to the bonding state, the opposing substrate holder surfaces have an identical and aligned stress pattern due to the loading.
  • the first fixing means and the second fixing means are electrostatic fixing means.
  • the first and second fixing means are particularly preferably embedded in the substrate holder surfaces.
  • the corresponding recess grooves are particularly preferably arranged in symmetrical patterns like the first and second fixing means. If the electrostatic fixing means are designed to cover the entire surface, the dimensions and arrangements in the bonding position are also aligned.
  • the fixing means are vacuum tracks, the arrangement and other design also being congruent or corresponding in the bonding position.
  • the first substrate holder and the second substrate holder form a fluid-tight bonding chamber.
  • a bonding chamber can be formed between the first substrate holder and the second substrate holder by pivoting and, if necessary, bringing them closer together.
  • the substrates are arranged within the bonding chamber. In this way, bonding can advantageously take place in a protected space, which improves the bonding result.
  • a vacuum can be set in the bonding chamber before bonding or a fluid can be introduced.
  • the first fixing means and the second fixing means are designed to provide the identical holding forces at least until the transfer to the bonding position.
  • the identical holding forces are provided by the fixing means until immediately after the bonding of the first substrate to the second substrate.
  • a particularly important aspect of the present invention is that both substrates are held in an identical manner on symmetrically constructed holding devices before contacting or bonding, so that the substrates are contacted and bonded with corresponding stress patterns.
  • the loading of the two substrates is carried out in particular with identical gravity influence, for example both from above.
  • All features of the holding devices that can indirectly influence the substrate shape are carried out symmetrically for the first substrate and for the second substrate, preferably within the same time, particularly preferably simultaneously, so that the first and second substrates show identical, opposite stress patterns caused by the holding device before bonding.
  • At least one of the holding devices is preferably pivotally mounted.
  • the fixation or holding force is provided in such a way that after pivoting the surfaces to be bonded have the same stress patterns to each other.
  • Both substrates preferably remain fixed to the holding device during bonding.
  • the symmetrical design of the holding devices minimizes the influence of loading stress, which minimizes the residual stress after bonding.
  • the bonding process leads to a reduction of stress patterns that are built into the bonding interface as distortion during bonding.
  • the relaxation of corresponding stress patterns leads to a minimized residual stress even after the substrate stack has been released.
  • the basic idea is that both substrates are held in an identical manner on symmetrically constructed holding devices before contacting or bonding, so that the stress on the substrate caused by the holding and loading on the holding device is minimized and the substrates are contacted and bonded with corresponding stress patterns.
  • stress, load and tension are used synonymously.
  • Another important aspect is that the substrates remain fixed to the holding devices during bonding after contacting, so that distortions are minimized by corresponding stress patterns canceling each other out as far as possible, thereby reducing the residual stress.
  • the two support devices or substrate holders can be rotated around any axis and then brought into an adjusted, symmetrical position by X/Y rotation.
  • both substrates are loaded in a symmetrical orientation with identical gravity influences on the first and second holding devices.
  • the components of the first and second receiving device which are constructed symmetrically with respect to the tilt axis and/or the mirror axis between the first and second receiving device, include in particular the loading pins and the fixing and support elements as well as other possible characteristic surface features of the receiving device.
  • the loading pins preferably three loading pins, are arranged symmetrically in a circle on the same radius on both holding devices. If the substrates are loaded onto the loading pins on the first and second holding devices from above, the substrates bend, for example, according to the effect of gravity. After the substrates have been picked up on the receiving surface of the holding devices, the loading stress or the tension patterns remain on the fixed substrate. Due to the symmetry of the components of the holding devices, the tension patterns on the first and second substrates are also symmetrical. The effect of gravity on the loading stress of the substrates is thereby minimized or preferably eliminated because the effects on both substrates can cancel each other out after contact due to the symmetry.
  • both substrates are therefore symmetrical along the bonding interface. After the bonded substrate stack is released, both substrates can reduce the remaining residual stress in the same way by relaxing, so that remaining stresses are minimized. Substrates
  • the first and/or second substrate is preferably radially symmetrical.
  • the substrate can have any diameter, the substrate diameter is in particular 1 inch, 2 inches, 3 inches, 4 inches, 5 inches, 6 inches, 8 inches, 12 inches, 18 inches or greater than 18 inches.
  • the thickness of the first and/or second substrate is between 1 pm and 2000 pm, preferably between 10 pm and 1500 pm, more preferably between 100 pm and 1000 pm.
  • a substrate can also have a rectangular shape, or at least a shape deviating from a circular shape. Wafers, particularly preferably circular wafers, are preferably used as substrates.
  • the holding devices enable reliable and even support and fixation of the substrates. Fixation is achieved, for example, by applying a vacuum between the substrate and the holding device, by mechanical clamping, by electrostatic charging, or by other controllable chemical-physical adhesion properties.
  • Electrostatic receiving devices are preferably used to receive and hold a substrate.
  • the embodiments of the bonding device or bonding device can handle any substrate, regardless of its diameter.
  • Electrodes are particularly preferably used in electrostatic holding devices to generate an electrostatic holding force for fixing the substrate.
  • the substrate is fixed to a holding surface or substrate holder surface.
  • the holding surface is a surface of a holding device designed for substrate fastening, preferably a flat surface, which is built into the substrate holder as a component.
  • the flatness is used as a measure for the perfection of a flat surface (mathematically ideal plane).
  • Flatness describes the structure of a surface that is located between two ideal planar surfaces. The distance between the two planar surfaces defines the tolerance. Deviations from a flat surface arise from macroscopic and/or microscopic surface defects. These defects can also be defined as waviness and roughness.
  • the waviness of a surface can be described as a periodic raising and lowering of the surface, especially in the millimeter and micrometer range.
  • Roughness is a more aperiodic phenomenon in the micro and/or nanometer range.
  • roughness In order to deal with the different deviations from the ideal surface, the term roughness will be used in the further course of the description as a synonym for the superposition of all such effects.
  • the roughness is given either as mean roughness, root mean square roughness or as averaged roughness depth.
  • the values determined for the mean roughness, the root mean square roughness and the average roughness depth generally differ for the same measuring section or measuring surface, but are in the same order of magnitude. Therefore, the following numerical value ranges for the roughness are to be understood as values for either the mean roughness, the root mean square roughness or the average roughness depth.
  • the electrostatic holding devices or substrate holders with electrostatic fixing means have a particularly flat holding surface in order to press the substrate electrostatically and ensure highly stable holding.
  • the electrostatic attraction causes the holding forces to be evenly distributed over the entire surface.
  • the flatness of the holding device is better or more precise than the thickness variation and nanotopography of the substrates.
  • the substrates can already have mechanical stresses due to pre-process steps, which could cause deformation if not fixed.
  • Substrates with wedge defects are not a problem for state-of-the-art recording devices. Wedge defects can be compensated.
  • the flatness of the holding surfaces of the electrostatic fixing means is less than 1000 nm, preferably less than 200 nm, more preferably less than 50 nm, most preferably less than 1 nm (difference between the highest point and the lowest point of the surface or the holding surface).
  • the nanotopography is an important parameter for the surface quality. Local (erratic) unevenness is to be avoided in particular.
  • the roughness is less than 100 nm, preferably less than 10 nm, even more preferably less than 1 nm, most preferably less than 1 ⁇ .
  • the roughness is also in particular less than lnm/pm change in flatness, even more preferably less than l ⁇ /pm change in flatness.
  • the holding force of the ultra-flat electrostatic fixing agents with a particularly flat holding surface enables conformal planarization of the substrates.
  • Both substrates are preferably loaded from above, i.e. perpendicular to gravity.
  • the back of the substrates is brought onto the holding surface using charging pins and fixed using electrostatic forces.
  • the substrates are fixed with high positioning accuracy and with high holding force.
  • the electrodes are particularly preferably embedded relative to the substrate holder surface and can be unipolar or bipolar. The design of the electrodes is symmetrical with respect to the axis of the two substrates or to the bonding interface.
  • the decisive factor is the loading of both substrates in a symmetrical orientation or direction with identical gravitational influence on the first and second, symmetrically designed substrate holder surfaces.
  • a holding device with substrate can be swiveled upside down by 180° and, if necessary, placed exactly above the lower holding device, or both holding devices with substrate can be rotated 90° to each other so that they also meet symmetrically.
  • the components of the first and second receiving device which are constructed symmetrically with respect to the tilt axis and/or the mirror axis between the first and second receiving device, include in particular the loading pins and the fixing and support elements as well as other surface features of the receiving device.
  • the receiving device or the substrate holder has loading pins
  • the holes in which the loading pins move or the loading pins themselves are preferably provided with a seal.
  • the position of the loading pins, the openings of the loading pins, the diameter of the openings of the loading pins and the seals are identical and symmetrical on both receiving devices.
  • Symmetrical features are located opposite one another after rotation of one (by 180°) or both (by 90°) holding devices.
  • the holding devices are constructed axially symmetrically and/or mirror-symmetrically depending on whether one or both holding devices are tilted or rotated. If the bonding device or bonding device has recesses, for example for measuring devices, these are preferably also identical and symmetrical on both holding devices.
  • Other features such as patterns, structures or structuring on the holding surface are also particularly preferably implemented identically and symmetrically on both holding devices.
  • the surfaces to which the fixation takes place can also be provided with a pattern, a groove, studs, pins, or any other topography or surface structure.
  • the grooves can be linear, circular, or of any shape. Any combination is also possible, for example grooves and studs.
  • the selected topography can further reduce the contact area in order to obtain the smallest possible absorption area.
  • the ultra-flat electrostatic substrate holders have symmetrically designed grooves that extend beyond the edge of the substrate in order to prevent an air cushion and "floating" of the wafer after loading (before fixing).
  • the grooves are dimensioned and distributed in such a way as to allow the ambient gases to escape.
  • the grooves are, for example, microgrooves.
  • the electrostatic receiving device has symmetrically designed knobs in order to reduce the risk of contamination of the substrate rear side.
  • the substrate holder surface can then be formed at least partially by the surfaces of the knobs.
  • Electrostatic fixing elements or fixing agents are therefore preferred. Materials with minimal thermal expansion are preferably selected for the holding device (thermal invariance).
  • the surfaces are also smoothed through machining so that the coefficient of friction between the holding surface and the substrate is minimized.
  • the first and second receiving devices are also (almost) identical overall, so that both preferably have the same thickness and are made of the same components and materials.
  • a first and second composite each consisting of a substrate and receiving device or substrate holder, have an identical mechanical rigidity.
  • the thickness of the support device is selected such that the overall stiffness of the support device including the substrate is not dominated by the anisotropic Young's modulus (E-modulus) of the substrate.
  • the preferred ultra-flat electrostatic recording devices can be used in vacuum, high vacuum and/or ultra-high vacuum systems.
  • the electrostatic recording devices can also be used at ambient pressure under a gas atmosphere, in particular an inert gas atmosphere.
  • the substrate and/or the receiving device is movable in at least three degrees of freedom, preferably in at least four degrees of freedom, more preferably in at least five degrees of freedom, most preferably in all six degrees of freedom. This enables improved mobility of the substrate and/or the receiving device.
  • the Z direction or Z axis runs perpendicularly as a surface normal to the holding surface of the receiving device.
  • the X and Y directions or X and Y axes run perpendicular to each other and parallel to or in the holding surface of the receiving device.
  • a rotation around the X-axis is denoted by r
  • a rotation around the Y-axis is denoted by q
  • a rotation around the Z-axis is denoted by j.
  • the positioning, fixing and movement system is designed with a coarse drive and a fine drive for at least one degree of freedom. This advantageously enables the movements to be set precisely.
  • the receiving devices have a central control unit and/or regulating unit for controlling and/or regulating movements and/or processes, in particular the fixing of the substrates and the position of the receiving devices in the loaded state.
  • the receiving devices or substrate holders preferably have at least one sensor for measuring influencing factors, in particular at least one distance and/or position sensor.
  • the sensors are also placed symmetrically and have an identical structure.
  • Bonding agents are intended for bonding and/or prebonding and/or temporary bonding.
  • the terms bonding, prebonding and temporary bonding are used synonymously.
  • All embodiments of the bonding device can be operated in low vacuum, with greater preference in high vacuum, with even greater preference in ultra-high vacuum, in particular at a pressure of less than 100 mbar, preferably less than 0.1 mbar, with greater preference less than 0.001 mbar, with even greater preference less than 10e-5 mbar, with utmost preference less than 10e-8 mbar.
  • the decisive factor for the bonding device is the loading of both substrates in a symmetrical orientation with identical gravity influence on the first and second holding device or substrate holder.
  • Both substrates to be bonded are preferably loaded from above.
  • at least one of the holding devices is particularly preferably mounted so that it can pivot.
  • a holding device with substrate is turned upside down by 180° swiveled, or both recording devices with substrate can be rotated 90° to each other so that they meet symmetrically. If a recording device with substrate is swiveled upside down by 180°, a rotary movement or a combination of rotary-translatory movement is conceivable.
  • the recording devices can be rotated about any axis. The rotation of the recording device with substrate by 180° can thus take place about a mirror axis in the XY plane of the recording device or as a rotary movement via a swivel joint.
  • the device enables highly precise adjustment of the fixed substrates for exact alignment.
  • the holding devices are designed to approach and contact the substrates.
  • the substrates are aligned with each other before the bonding process. Alignment is preferably carried out using alignment systems and alignment marks. After the two substrates have been aligned with each other, contacting takes place.
  • the step of contacting the aligned contact surfaces of the two opposing substrates is particularly critical when bonding two substrates, because the requirement is for ever more precise alignment accuracy or offset of less than 50 pm, in particular less than 1 pm, preferably less than 250 nm, even more preferably less than 150 nm, most preferably less than 50 nm. Many influencing factors must be taken into account with such alignment accuracies.
  • both substrates remain fixed to the first and second receiving device or the substrate holder during bonding.
  • TTV thickness variation
  • stress patterns of the substrates have little influence on the bonding result.
  • a parallel, spontaneous (1:1) connection of the two substrates fixed to the holding device is achieved, with no deformation of the substrates at the bond front. Bonding preferably takes place in a high vacuum or ultra-high vacuum.
  • the bonding process consists in particular of a force and/or temperature effect.
  • the bonding force is in particular greater than 0.01 kN, preferably greater than 0.1 kN, even more preferably greater than 1 kN, most preferably greater than 10 kN, most preferably greater than 100 kN.
  • the corresponding pressure ranges are obtained by standardizing the bonding force to the surface of the substrates.
  • the bonding temperature is in particular less than 200°C, preferably less than 150°C, even more preferably less than 100°C, most preferably less than 50°C, most preferably at room temperature.
  • the second, upper substrate in particular remains fixed to the receiving device during bonding. If the second, upper substrate remains fixed to the receiving device during bonding, less deformation of the upper substrate at the bond front occurs due to the higher rigidity of the fixed substrate.
  • the first and/or the second substrate in particular remains fixed to the receiving device during bonding.
  • the first and/or the second substrate in particular remains fixed to the receiving device during bonding.
  • Figure la is a cross-sectional view of a first embodiment of the bonding device
  • Figure 1 b is a plan view of the first substrate holder and the second substrate holder of a first embodiment of the device according to Figure 1 a,
  • Figure 2a is a plan view of the first and second substrate holders of a first embodiment of the device with a first axis of rotation A-A,
  • Figure 2b shows the first and second substrate holders of a first embodiment of the device with a second rotation axis B-B
  • Figure 3a is a cross-sectional view of a first embodiment of the device with a mechanically executed hinge in the axis of symmetry, with loading pins of the first and second receiving device in the loading state,
  • Figure 3b is a cross-sectional view of a first embodiment of the device with a mechanically designed hinge in the axis of symmetry after loading the first and second substrates onto the loading pins,
  • Figure 3c is a cross-sectional view of a first embodiment of the device with a mechanically executed hinge in the axis of symmetry after receiving the first and second substrates on the first and second substrate holders,
  • Figure 4 is a cross-sectional view of a device in the loading state and in the bonding position before bonding the first and second substrates
  • Figure 5a is a cross-sectional view of the device in a first
  • Figure 5b is a cross-sectional view of the device in a second process step
  • Figure 5c is a cross-sectional view of the device in a third process step
  • Figure 5d is a cross-sectional view of the device in a fourth process step
  • Figure 5e is a cross-sectional view of the device in a fifth process step
  • Figure 5f is a cross-sectional view of the device in a sixth process step
  • Figure 6a is a cross-sectional view of a third embodiment of the device in a first method step
  • Figure 6b is a cross-sectional view of a third embodiment of the device in a second method step
  • Figure 6c is a cross-sectional view of a third embodiment of the device in a third method step
  • Figure 7a is a cross-sectional view of a fourth embodiment of the device in a first method step
  • Figure 7b is a cross-sectional view of a fourth embodiment of the device in a second method step
  • Figure 7c is a cross-sectional view of a fourth embodiment of the device in a third method step
  • Figure 8a is a cross-sectional view of a fifth embodiment of the device in a first method step
  • Figure 8b is a cross-sectional view of a fifth embodiment of the device in a second method step.
  • identical components or components with the same function are identified by the same reference symbols.
  • Figure la shows a schematic, not to scale, view of a cross section of a first embodiment of the first and second receiving devices 1, 2, wherein the movement of the second receiving device 2 is shown in a simplified manner.
  • Both substrates 3, 4 are loaded from above in an identical manner.
  • the design features of the receiving devices 1, 2 such as substrate fixing elements 5, openings for loading pins 6 and other surface features of the receiving devices 7 are designed symmetrically, so that after rotation of the second receiving device, the first receiving device 1 and the second receiving device 2 are opposite each other and mirror-symmetrical.
  • the fixing elements 5 serve to fix the substrates 3, 4 to the receiving device 1, 2.
  • the substrates 3, 4 are fixed electrostatically.
  • Figure 1b shows a plan view of the first and second receiving devices 1, 2 of a first embodiment of a device according to Figure la.
  • Both substrates 3, 4 are loaded from above in an identical manner.
  • All features 5, 6, 7 of the holding devices 1, 2, which can directly or indirectly influence the substrate shape, are designed symmetrically for the first substrate 3 and for the second substrate 4, so that the first and second substrates 3, 4 show identical stress patterns determined by the holding device before bonding.
  • These features include in particular substrate fixing elements 5, openings for loading pins 6 and other surface features of the holding devices 7, such as openings for measuring devices, sensors or lines.
  • the decisive factor for the device is the loading of both substrates 3, 4 in symmetrical orientation with identical gravitational influence on the first Holding device 1 and on the second holding device 2. Both substrates 3, 4 are loaded from above onto the respective holding device (loading position, loading state).
  • At least one of the receiving devices 1, 2 is pivotally mounted so that after loading the substrates 3, 4, the substrate surfaces to be bonded are brought opposite each other in a bonding position.
  • Figure 2a shows a plan view of the first and second receiving device 1, 2 of a first embodiment of a device with a first pivot axis A-A.
  • a second receiving device 2 is moved relative to a first receiving device 1 by a rotational movement via a pivot joint (10, not shown) with the pivot axis A-A.
  • Loading pins and their openings 6 in the holding surfaces of the receiving devices 1, 2 are arranged symmetrically on the same radius on both receiving devices 1, 2.
  • Figure 2b shows a plan view of the first and second receiving devices 1, 2 of a second embodiment of a device with a second axis of rotation B-B.
  • a holding device with substrate is pivoted upside down by 180° (axis AA or BB), or both holding devices with substrate are rotated 90° relative to each other so that they meet symmetrically.
  • a holding device with substrate is pivoted upside down by 180°, a rotary movement or a combination of rotary-translatory movement is conceivable.
  • the holding devices 1, 2 can be rotated about any axis.
  • the rotation of the holding device with substrate by 180° can therefore take place about a mirror axis in the XY plane of the holding device or as a rotary movement via a swivel joint.
  • Figures 3a to 3c show a cross-sectional view of a first embodiment of the device with a mechanically designed hinge 10 in the axis of symmetry or in the pivot axis AA.
  • the two chamber sections 12, 13 are opened, as shown in Figures 3a to 3c.
  • the loading pins 8 of the first and second receiving devices 1, 2 are in the loading position.
  • the first substrate 3 and the second substrate 4 are loaded onto the loading pins 8 of the receiving devices 1, 2.
  • the two substrates 3, 4 are loaded with identical gravitational influence, i.e. both from above.
  • the back of the substrates 3, 4 is brought onto the holding surface of the receiving device 1, 2 with loading pins 8 and fixed by electrostatic forces.
  • the substrates 3, 4 are fixed with high positioning accuracy and with high holding force.
  • the electrodes are preferably embedded in the receiving device 1, 2 and can be unipolar or bipolar. The design of the electrodes is symmetrical with respect to the axis of the two substrates 3, 4.
  • the receiving devices or substrate holders 1, 2 are positioned and loaded in such a way that both substrates 3, 4 are received in an identical manner on symmetrically constructed receiving devices 1, 2 before contacting or bonding, so that the substrates are contacted and bonded with corresponding zones with stress patterns 9.
  • the areas with stress patterns 9 are created, for example, by the contacts with loading pins 8 and by the deformation of the wafers between the loading pins 8 due to gravity.
  • the first substrate 3 and the second substrate 4 are received on the receiving devices and fixed with fixing agent 5. If the substrate 3, 4 rests only on the loading pins 8 as shown in Figure 4, then gravity causes a change compared to a flat surface, whereby the corresponding areas of the first and second substrate with stress patterns are highlighted due to the loading of the substrates on the symmetrically designed loading pins in the open pivoting device.
  • This change in the contact areas 9 is symmetrical for both substrates 3, 4 in the bonding device 11, so that during bonding or after bonding, corresponding stress patterns are located in areas 9' lying one above the other. Identical stress patterns are therefore present in the substrate stack symmetrically around the bonding interface.
  • At least one of the receiving devices 1, 2 is pivotably mounted.
  • One possibility for moving the second chamber section 13 relative to the first chamber section 12 is to carry out a rotational movement between the chamber sections 12, 13 via a pivot joint 10 according to Figure 5b.
  • Figures 5a to 5f show the process steps in a first embodiment of the device and the method for bonding 11, preferably permanent bonding, in particular fusion bonding, a first substrate 3 to a second substrate 4, comprising: a) a bonding chamber 11 consisting of a first chamber section 12 and a second chamber section 13, b) receiving devices 1, 2 for receiving and fixing the substrates 3, 4, wherein the receiving devices 1, 2 are designed to approach and contact the substrates.
  • the two chamber sections 12, 13 are opened, as shown in Fig. 5a, and the substrates 3, 4 are electrostatically fixed. Electrodes are inserted into electrostatic holding devices to generate an electrostatic holding force for fixing the substrate.
  • the ultra-flat electrostatic holding devices 1, 2 have a particularly flat holding surface in order to electrostatically press the substrate 3, 4 and ensure highly stable holding. The electrostatic attraction causes an even distribution of the holding forces over the entire surface.
  • the flatness of the holding device 1, 2 is better than the thickness variation and nanotopography of the substrates 3, 4.
  • the substrates 3, 4 may already have mechanical stresses due to pre-process steps, which could cause deformation if not fixed.
  • the bonding chamber 11 is closed according to the embodiment of Figure 5b by pivoting the second chamber section 13 about the pivot joint 10.
  • a motor drive (not shown) can be provided.
  • the bonding device 11 can advantageously be operated in a vacuum or at ambient pressure under inert gas.
  • the substrates 3, 4 are first adjusted with high precision for exact alignment and are kept separated during an evacuation process according to Figure 5c.
  • the alignment is preferably carried out by alignment systems and using alignment marks. The adjustment and approximation are known to the person skilled in the art and are not described in more detail.
  • the second, upper substrate 4 with the receiving device 2 for bonding is moved translationally within the bonding chamber 11 onto the first, lower substrate 3 with a movement device 15 and distance changing means 16.
  • Approaching and adjusting are carried out in a controlled manner.
  • at least one measuring device for measuring the position of the second, upper substrate 4 is preferred in the design of the device.
  • the substrates 3, 4 are placed flat on top of one another.
  • reproducibility of the flatness of the substrates 3, 4 to be bonded is very important.
  • the holding force of the ultra-flat electrostatic recording devices 1, 2 with a particularly flat holding surface enables conformal planarization of the substrates 3, 4.
  • both substrates 3, 4 remain fixed to the first and second receiving device 1, 2 during bonding. If both substrates 3, 4 remain fixed to the respective receiving device 1, 2 during bonding, thickness variation (TTV) and stress patterns of the substrates 3, 4 have little influence on the bonding result.
  • TTV thickness variation
  • a parallel, spontaneous (1:1) connection of the two substrates 3, 4 fixed to the receiving device is achieved, with no deformation of the substrates 3, 4 taking place at the bonding front.
  • the second, upper substrate 4 in particular remains fixed to the receiving device 2 during bonding. If the second, upper substrate 4 remains fixed to the receiving device 2 during bonding, less deformation of the upper substrate 2 takes place at the bonding front due to the higher rigidity of the fixed substrate 2.
  • both substrates 3, 4 are picked up in an identical manner on symmetrically constructed receiving devices 1, 2 before contacting or bonding, so that the stress on the substrate caused by the picking up and loading on the receiving device 1, 2 is minimized and the substrates 3, 4 are contacted and bonded with corresponding stress patterns.
  • ultra-planar electrostatic recording devices 1 , 2 By fixing the substrates 3, 4 during bonding to the Symmetrically constructed, ultra-planar electrostatic recording devices 1 , 2 further minimize distortions in the bonding interface.
  • the receiving devices 1, 2 are designed such that the substrate 3, 4 can be tempered, in particular in sections, by heating means.
  • the compressive stress leads to an approach of the substrate surfaces at the interface along the contact surface.
  • the substrates can be pretreated if necessary before bonding, especially before alignment.
  • pretreatment are plasma treatment or amorphization of at least one of the two substrate surfaces.
  • the bonding chamber and process chamber for amorphization or plasma treatment can be part of an (evacuated) cluster system.
  • Figure 5e shows a completed bonding process.
  • the substrates 3, 4 are fully contacted and the bonding process is completed.
  • the second, upper receiving device 2 is moved upwards in a translational manner within the bonding chamber 11 using a movement device 15 and distance-changing means 16 back to the position shown in Figure 5c.
  • the substrate stack 17 remains on the first, lower receiving device 1.
  • the bonding device 11 is opened again by a rotational movement between the chamber sections 12, 13 via a swivel joint 10 of the second chamber section 13 and the substrate stack 17 can be removed after the fixation of the first, lower receiving device has been released. Releasing the bonded stack 17 from the substrate holders allows the substrates to reduce stress in the same way. This relaxation process leads to a minimized residual stress.
  • At least one of the receiving devices 1, 2 is pivotally mounted.
  • the receiving devices 1, 2 can be rotated about any axis.
  • the rotation of one of the receiving devices with Substrate by 180° can thus not only take place as a rotational movement via a swivel joint according to Figures 5a to 5c, but also as a rotation about a mirror axis in the XY plane of the recording device 1, 2.
  • Another possibility is to move one chamber section translationally towards or away from the other chamber section after rotation.
  • the movement can be carried out using a lifting cylinder.
  • lateral guides can be provided.
  • a combined rotational-translational movement, for example using four-bar kinematics, is also conceivable.
  • both receiving devices 1, 2 are located one above the other, so that both substrates 3, 4 are loaded with identical gravitational influences on the first and second receiving devices 1, 2 according to Figure 6a.
  • the second, upper receiving device 2 with the fixed substrate 4 is rotated upside down by 180° about its own axis of rotation B-B according to Figure 6b.
  • both receiving devices 1, 2 are mirror-symmetrical to one another, so that all features of the receiving devices 1, 2, such as the fixing elements 5, the openings for loading pins 6, and other surface features 7, are positioned symmetrically.
  • both receiving devices 1, 2 are located next to each other so that in this embodiment too, both substrates 3, 4 are loaded with identical gravitational influence on the first and second receiving devices 1, 2 according to Figure 7a.
  • a combination of rotational-translational movement is carried out so that the first and second receiving devices 1, 2 meet symmetrically.
  • the two recording devices 1 , 2 can be rotated about any axis and then brought into an adjusted, symmetrical position by X/Y/Z translation (and rotation).
  • the substrate and/or the receiving device 1, 2 is movable in at least three degrees of freedom, preferably in at least four degrees of freedom, more preferably in at least five degrees of freedom, most preferably in all six degrees of freedom. This enables improved mobility of the substrate and/or the receiving device.
  • both receiving devices 1, 2 are located next to each other so that in this embodiment too both substrates 3, 4 are loaded with identical gravitational influences on the first and second receiving devices 1, 2 according to Figure 8a.
  • both receiving devices 1, 2 with substrate are rotated 90° to each other so that they also meet symmetrically according to Figure 8b.
  • the rotary movement of the second receiving device 2 by 90° takes place via the rotation axis BB and the rotary movement of the first receiving device 1 by 90° takes place via the rotation axis B '-B ' .
  • the substrates 3, 4 are bonded over their entire surface in the vertical plane.

Landscapes

  • Container, Conveyance, Adherence, Positioning, Of Wafer (AREA)
  • Die Bonding (AREA)
  • Liquid Crystal (AREA)

Abstract

Verfahren und Vorrichtung zum Bonden von Substraten. Hierzu Figur 1a.

Description

B e s c h r e i b u n g
Verfahren und Vorrichtung zum Bonden von Substraten
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bonden von Substraten, insbesondere Wafern. Beim Bonden werden Substrate zueinander ausgerichtet, miteinander kontaktiert und miteinander verbunden. Zum Ausrichten werden die Substrate j eweils in einer Substrataufnahmeeinrichtung, insbesondere einem Vakuumsubstrathalter, gehalten und vor dem Bonden die zu verbindenden Substratoberflächen zueinander exakt ausgerichtet. Dabei ist eine möglichst vollflächige verzerrungs- und dehnungsfreie Verbindung herzustellen.
Im Stand der Technik werden das obere und das untere Substrat in der Bondorientierung geladen, sodass die Bondseite des oberen Substrats und die Bondseite des unteren Substrats bereits vor dem Bonden zueinander gerichtet ist. Dies hat den Vorteil, dass die Bondvorrichtungen weniger Platz einnehmen, da der obere Substrathalter nicht gedreht, rotiert oder bewegt werden muss, j edoch werden durch die verschiedenen wirkenden Haftkräfte am oberen und am unteren Substrathalter die zu bondenden Substrate mit unterschiedliche Spannungen in den j eweiligen Substraten erzeugt.
In Druckschrift US9,613,840B2 werden das obere und das untere Substrat in der Bondorientierung geladen. Das obere Substrat wird mittels Verformungsmitteln, insbesondere einem mechanischen Pin, verformt, wobei die Verformungsmittel insbesondere auf Grund ihrer Form auf die zur Bondseite abgewandten Seite einwirken. Durch die zentrische Verformung des oberen Substrats mit dem Pin wird der Beginn des Kontaktierens beeinflusst, während nach der Kontaktierung das obere Substrat freigelassen wird und selbsttätig auf Grund seiner Vorspannung mit dem gegenüberliegenden Substrat bondet. In US9,613,840B2 ist mindestens ein Substrat während des Bondvorgangs nicht mehr an der Aufnahmeeinrichtung fixiert. Weiters sind die obere und die untere Aufnahmeeinrichtungen auf Grund der unterschiedlichen Ausführungen nicht identisch konstruiert und stellen somit verschiedene Spannungsmuster auf Grund der Beladung bzw. Fixierung in den Substraten bereit.
In US8,918,989B2 werden Fixiermittel zur zumindest teilweisen Vorfixierung des ausgerichteten Substrats auf dem Trägersubstrat vorgesehen. Beide Substrate werden nacheinander in der Bondorientierung übereinander geladen. Abstandsmittel werden zur Einhaltung eines Abstands zwischen Substrat und Trägersubstrat beim Ausrichten verwendet, bevor zur Fixierung der Substrate ein im Zentrum wirkender kraftgeregelter Aktuator auf den Substratstapel einwirkt. In US8,918,989B2 läuft das Bonden oder Prebonden gänzlich ohne vorherige Fixierung des oberen Substrats auf einer oberen Aufnahmeeinrichtung.
In Druckschrift US6,383,890B2 werden beide Substrate von oben beladen. Durch Drehen um 180° der schwenkbar gelagerten oberen Aufnahmeeinrichtung werden beide Substrate gegenüber parallel zum Bonden in der Bondorientierung platziert. Ein Pin durchdringt die obere Aufnahmeeinrichtung und startet den Bondvorgang durch zentrische Krümmung des oberen Substrats. Dabei wird das obere Substrat von der Fixierung losgelöst. Die symmetrische Ausführung aller Merkmale und insbesondere der Fixierelemente der oberen und unteren Substrataufnahmeeinrichtungen, insbesondere der Ladestifte der oberen und unteren Substrataufnahmeeinrichtungen, ist nicht vorgesehen. Zudem werden unterschiedliche Haltekräfte bzw. Fixierkräfte bereitgestellt.
In Druckschrift WO2015/183197A1 wird die obere Substrataufnahmeeinrichtung um 180° um die eigene Achse gedreht zum Bonden. Dabei wird die obere Substrataufnahmeeinrichtung zwischen einer Substrat-Ladeposition und einer Substrat-Bondposition verfahren. Vorteil ist hier eine leichtere Kontrolle der Ausrichtung vom mit Strukturen versehenen Substrat auf der Aufnahmeeirichtung von der freien Oberseite. Die symmetrische Ausführung aller Merkmale der oberen und unteren Substrataufnahmeeinrichtungen ist nicht vorgesehen da diese auf Grund der Konstruktion der Vorrichtung unterschiedlich ausgestalten sind. Zudem werden unterschiedliche Haltekräfte in verschiedenen Mustern bereitgestellt.
Die zu bondende Substrate, insbesondere Wafer, sind oft strukturiert und beschichtet mit bis zu mehreren Lagen unterschiedlicher Materialien. Diese Vorprozessschritte erzeugen mechanische Spannungen, die den Wafer in seiner freien Form verwerfen können. Das Verwerfen zeigt sich beispielsweise in Form von Verzugsneigung, Krümmungen, Verzerrungen und/oder lokale Verformungen. Sobald einer der zu bondenden Substrate nicht oder nicht mehr auf einer Substrataufnahmeeinrichtung fixiert ist während des Bondvorgangs wird ein Teil dieser Spannung als Verzerrung in das Bondinterface mit eingebaut.
Auch die Kristallstruktur des Substratmaterials bestimmt ob Eigenschaften isotrop oder anisotrop sind und somit einen Einfluss auf den Bondprozess haben können. Die mechanischen Eigenschaften von Silizium (Si) sind beispielsweise anisotrop. Monokristallines Silizium besitzt einen unterschiedlichen Elastizitätsmodul (E-Modul) in verschiedene Richtungen. Diese unterschiedliche Steifigkeit lässt eine erzeugte Bondwelle ungleichmäßig schnell fortschreiten. Diese Unterschiede in Steifigkeit wirken sich stärker aus, wenn das Substrat, insbesondere das obere Substrat, beim Bonden von der Fixierung der Substrataufnahmeeinrichtung losgelöst wird. Durch die Richtungsabhängigkeit des E-Moduls sind auch andere mechanischen Eigenschaften, insbesondere die Dehnungen, richtungs abhängig.
Seit mehreren Jahren werden in der Halbleiterindustrie Substrate durch sogenannte Bondprozesse miteinander verbunden. Vor der Verbindung müssen diese Substrate möglichst genau zueinander ausgerichtet werden, wobei mittlerweile Abweichungen im Nanometerbereich eine Rolle spielen. Die Ausrichtung der Substrate erfolgt dabei meistens über Ausrichtungsmarken. Neben den Ausrichtungsmarken können sich noch andere, insbesondere funktionale Elemente, auf den Substraten befinden, die während des Bondprozesses ebenfalls zueinander ausgerichtet sein müssen.
Eine der größten Herausforderungen beim Bonden besteht beim Bondvorgang selbst, also während der Bondinitiierung bis zur vollständigen Kontaktierung der Kontaktflächen der Substrate. Hierbei kann sich die Ausrichtung der beiden Substrate zueinander gegenüber der vorherigen Ausrichtung noch maßgeblich ändern. Sind die beiden Substratoberflächen erst einmal miteinander verbunden, ist eine Trennung zwar theoretisch wieder möglich, allerdings mit hohen Kosten und Fehleranfälligkeit verbunden. Im Stand der Technik existieren mehrere Verfahren und Anlagen, mit deren Hilfe versucht werden kann, einen Einfluss auf den Bondvorgang zu nehmen.
Bei dem Bondvorgang können Spannungsmuster zu Verzerrungen und Fehleranfälligkeiten führen. Die zu bondende Substrate, insbesondere Wafer, sind oft strukturiert und beschichtet mit bis zu mehreren Lagen unterschiedlicher Materialien. Diese Vorprozessschritte erzeugen mechanische Spannungen, die den Wafer in seiner freien Form verwerfen können. Neben mechanische Spannungen aus Vorprozessschritte können beim Beladen der Substrate weitere Spannungsmuster entstehen. Zu den Komponenten der Aufnahmeeinrichtung, die einen Einfluss auf die Substratform haben können und zu einem Beladungsstress führen, gehören insbesondere die Ladestifte und die Fixierungs- und Stützungs-Elemente sowie weitere Oberflächen-Merkmale der Aufnahmeeinrichtung.
Ein Teil dieser Spannung wird dann als Verzerrung in das Bondinterface beim Bonden mit eingebaut. Spannungen können entweder durch zusätzliche Defektbildung relaxieren, sich gegenseitig aufheben, oder verbleiben als Eigenspannung im gebondeten Stapel.
Insbesondere bei dünnen Substraten bzw. bei dünnen Substratstapeln wirkt sich die Eigenspannung stark aus. Rückgedünnte Substrate müssen auf die ursprüngliche, bevorzugt ebene Form gebraucht und gehalten werden. Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, die im Stand der Technik aufgeführten Nachteile zumindest zum Teil zu beseitigen, insbesondere vollständig zu beseitigen. Insbesondere ist es eine Aufgabe der Erfindung, verbesserte Verfahren sowie Vorrichtung zum Boden aufzuzeigen. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung ein gebondeten Substratstapel mit minimaler Eigenspannung herzustellen.
Die vorliegende Aufgabe wird mit den Merkmalen der nebengeordneten Ansprüche 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.
Es hat sich überraschender Weise herausgestellt, dass das Bondergebnis verbessert werden kann, wenn zusätzlich zu den mechanischen Spannungen, die in Vorprozessschritten bereits im Substrat erzeugt wurden, neue Spannungsmuster durch Konstruktionsmerkmale der Substrataufnahmeeinrichtung, die in direktem Kontakt mit dem Substrat kommen, so wie beispielsweise beim Substrat-Ladevorgang der Substrate auf der Substrataufnahmeeinrichtung ausgeglichen bzw. verhindert werden. Die Spannungsmuster sind im Stand der Technik im oberen und im unteren Substrat unterschiedlich auf Grund unterschiedlicher Effekte. Beispielsweise werden wegen der unterschiedlichen Ausführung der oberen und der unteren Substrataufnahmeeinrichtung, insbesondere der Substrathalteroberfläche, der Fixierelemente sowie Haltekräfte, verschiedene Spannungsmuster in den zu bondenden Substraten erzeugt.
Wirkt eine Kraft, insbesondere die Gravitationskraft, auf Substrate, die auf Ladestifte oder Strukturen der Haltefläche aufliegen, so entsteht eine asymmetrische Verformung. Diese asymmetrische Verformung ist noch während des Kontakts zwischen den beiden Substraten und/oder während des Bondvorgangs vorhanden und führt zu einer asymmetrischen Ausbreitung der Bondwellenfront und damit zu einem unterwünschten run-out Effekt.
Auch ein Beladen des oberen und des unteren Substrats in der Bondorientierung führt zwangsläufig zu unterschiedlichen Spannungsmustern, die ebenfalls als Verzerrung in das Bondinterface mit eingebaut werden können, insbesondere wenn die unterschiedlichen, asymmetrischen Spannungsmuster sich später nicht gegenseitig aufheben können.
Das Verfahren und die Vorrichtung zum Bonden, verbessern insbesondere das Bondergebnis durch die vorgeschlagenen Merkmalskombinationen.
Demnach betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Bonden von Substraten mit den folgenden Schritten, insbesondere mit dem folgenden Ablauf: i) Bereitstellung eines ersten Substrats auf einer ersten Substrathalteroberfläche eines ersten Substrathalters und eines zweiten Substrats auf einer zweiten Substrathalteroberfläche eines zweiten Substrathalters, ii) Fixierung des ersten Substrats an dem ersten Substrathalter und des zweiten Substrats an dem zweiten Substrathalter in einem Beladungszustand, iii) Positionierung des zweiten Substrathalters relativ zu dem ersten Substrathalter in eine Bondposition, so dass das erste Substrat und das zweite Substrat mit zu bondenden Oberflächen einander zugewandt sind, iv) Bonden des ersten Substrats mit dem zweiten Substrat, wobei in dem Beladungszustand die erste Substrathalteroberfläche und die zweite Substrathalteroberfläche in einem gleichen Winkel relativ zur Erdanziehungskraft angeordnet sind, und wobei in dem Beladungszustand die erste Substrathalteroberfläche und die zweite Substrathalteroberfläche in eine gleiche Richtung relativ zur Erdanziehungskraft ausgerichtet sind und wobei bei der Fixierung des ersten Substrats und des zweiten Substrats j eweils identische Haltekräfte auf das erste Substrat und auf das zweite Substrat ausgeübt werden. In anderen Worten werden zwei Substrate unter identischen Schwerkraftsbedingungen auf den relativ zur Gewichtskraft gleich ausgerichteten Substrathaltern bereitgestellt und zur Fixierung identische Haltekräfte auf die Substrate bereitgestellt. Dadurch kann besonders vorteilhaft eine gleiche Spannung in den Substraten erzeugt werden, was sich vorteilhaft auf das Bondergebnis auswirkt. Die symmetrische Anordnung der Fixierelemente auf den Substrathaltern in Bezug auf die Bondgrenzfläche in der Bondposition sind besonders bevorzugt. Besonders bevorzugt werden bei der Positionierung die Substrate beziehungsweise die Substrathalteroberflächen symmetrisch zueinander und parallel zueinander positioniert, so dass die zu bondenden Oberflächen einander zugewandt sind. Symmetrische Positionierung beziehungsweise Ausrichtung bedeutet, dass die Fixierungsorte, Haltekräfte an den Fixierorten sowie Auflageflächen der Substrathalter deckungsgleich sind beziehungsweise durch die Spiegelung and der zwischen den Substraten aufgespannten Ebene symmetrisch sind. In anderen Worten fluchten sämtliche Merkmale, welche Einfluss auf die Spannung in den Substraten im Beladungszustand haben.
Das erste Substrat und das zweite Substrat sind dabei vorzugsweise gleich dimensioniert. Insbesondere weisen die Substrate das gleiche Gewicht auf. Die erste Substrathalteroberfläche ist symmetrisch zur zweiten Substrathalterfläche ausgebildet, insbesondere achsensymmetrisch. Die Substrathalteroberflächen korrespondieren vorzugsweise so, dass in dem Beladungszustand die Auflageflächen der j eweiligen Substrathalteroberflächen symmetrisch zueinander angeordnet sind und bei dem Bonden die gegenüberliegenden Auflageflächen fluchten. Die Substrathalteroberflächen sind dabei insbesondere die Oberflächen der Substrathalter, auf welchen die Substrate aufliegen. Die Substrathalteroberflächen umfassen zum Beispiel Ladepinne, Erhöhungen oder vollflächige Oberflächen mit Ausnehmungen für Fixiermittel.
Im Beladungszustand sind die Substrathalter bzw. die Substrathalteroberflächen und somit die Substrate gleich in Bezug auf die wirkende Gewichtskraft angeordnet. Dabei sind die Substrathalteroberflächen in Bezug auf die Gewichtskraft in dieselbe Richtung ausgerichtet. Dabei sind beispielsweise beide Substrathalteroberflächen nach oben oder nach unten ausgerichtet. In dem Beladungszustand werden die Substrate nicht von oben und unten beladen, sondern beide gleich, so dass die Schwerkraft in identischer Weise im Zeitpunkt der Beladung wirkt und auch bei dem Anlegen der identischen Haltekräfte die gleiche Spannung, insbesondere das gleiche Spannungsmuster, auf beide Substrate wirkt.
Dabei liegen die zu bondenden Oberflächen der Substrate nicht auf der Substrathalteroberfläche auf, sondern zeigen weg von der den Substrathaltern. Die Substrathalter sind dabei bevorzugt beide senkrecht oder waagerecht zur Erdanziehungskraft. Die vorzugsweise seitlich nebeneinander angeordneten Substrathalter weisen im Beladungszustand den gleichen Winkel relativ zur Erdanziehungskraft auf. Dabei kann die leicht unterschiedliche Schwerkraft durch die versetzte Anordnung sowie ein leicht unterschiedlicher Abstand zum Erdmittelpunkt vernachlässigt werden.
Bei der Fixierung der Substrate werden gleich wirkende und identische Haltekräfte an den Substraten bereitgestellt. Auf diese Weise kann vorteilhaft ein korrespondierendes Spannungsmuster in den Substraten erzeugt werden, welches das Bondergebnis verbessert. Die Haltekräfte werden vorzugsweise auch bei der Überführung in die Bondposition beibehalten.
Die Positionierung kann beliebig erfolgen und kann ein Bewegen beider Substrathalter in sämtliche Richtungen umfassen.
Bei dem Bonden von Substraten beziehungsweise Substratstapeln werden die zu bondenden Substrate sozusagen minimalinvasiv in entsprechenden Aufnahmeeinrichtungen in gleicher Ausrichtung zur Erdanziehungskraft geladen und mittels identischen bzw. symmetrisch auf die beiden Substrate wirkenden Haltekräften gehalten. Dabei werden üblicherweise unterschiedliche Haltekräfte bereitgestellt, da die zu bondenden Substrate nach der Positionierung einmal auf dem unteren Substrathalter aufliegen und an dem oberen gehalten werden müssen. Dabei wirkt bei dem oberen Substrathalter üblicherweise die größere Haltekraft, da zusätzlich das Gewicht des fixierten oberen Substrats ausgeglichen werden muss.
Die Symmetrie bezieht sich vorzugsweise auch auf sämtlichen weiten Komponenten der Substrathalter, welche Einfluss auf die Spannung in den Substraten haben können (Auflageflächen, Art der Fixierelemente, Ausrichtungsmarken, Schläuche, etc.). Bevorzugt ist eine achsensymmetrische Anordnung sämtlicher Komponenten.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zum Bonden ist vorgesehen, dass in dem Beladungszustand das erste Substrat auf der ersten Substrathalteroberfläche und das zweite Substrat auf der zweiten Substrathalteroberfläche aufliegen. Mit Aufliegen ist gemeint, dass das erste Substrat und das zweite Substrat durch jeweils das Eigengewicht auf den weiterhin identisch ausgerichteten Substrathalteroberflächen aufliegen und theoretisch nicht fixiert werden müssen. In anderen Worten sind die zu bondenden Oberflächen beide entgegen der Gewichtskraft ausgerichtete, während Rückseiten der Substrate auf den Substrathalteroberflächen anliegen. Auf diese Weise kann eine besonders vorteilhafte und spannungsfreie Beladung durchgeführt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zum Bonden ist vorgesehen, dass der Winkel ein senkrechter Winkel ist. Der gleiche Winkel, in welchem die Substrathalteroberflächen relativ zur Schwerkraft ausgerichtete sind, beträgt in anderen Worten 90°. Dabei sind die Substrate und die Substrathalteroberflächen vorzugsweise eben. Die Substrate sind somit ebenfalls quasi parallel zur Gewichtskraft und folglich zum Erdmittelpunkt ausgerichtet. Auf diese Weise kann ein besonders gutes Bondergebnis erreicht werden. Weiterhin kann ein Verrutschen der Substrate verhindert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zum Bonden ist vorgesehen, dass bei der Fixierung in dem Beladungszustand die identischen Haltekräfte j eweils in einem zueinander korrespondierenden Muster an dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat bereitgestellt werden, so dass in der Bondposition das Muster der Haltekräfte fluchtet. In anderen Worten sind in den Bondpositionen die gegenüberliegenden Substratoberflächen bezüglich dem bereitgestellten Fixierungsmuster deckungsgleich. In der Bondposition werden also die identischen Haltekräfte in genau einander gegenüberliegenden Positionen bereitgestellt. Somit ist sichergestellt, dass die in den Substraten herrschenden Spannungen auf Grund der Fixierung an den gegenüberliegenden Bereichen der Substratoberflächen in der Bondposition gleich groß und gleich positioniert sind. Die Spannungsverteilung in dem ersten Substrat fluchtet somit mit der Spannungsverteilung in dem zweiten Substrat in der Bondposition. In dem Beladungszustand werden die Haltekräfte somit zum Beispiel in achsensymmetrischer Anordnung bereitgestellt, so dass ein einfaches Schwenken zum Positionieren ausreicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zum Bonden ist vorgesehen, dass die Fixierung des ersten Substrates und des zweiten Substrates zeitgleich und innerhalb des gleichen Zeitraums erfolgt. In anderen Worten werden die Haltekräfte innerhalb der gleichen Zeit angelegt und erfolgen zeitgleich. Dabei ist vorzugsweise auch der Anstieg der Haltekraft pro Zeiteinheit an den gleichen Stellen identisch. Auf diese Weise kann ein noch besseres Bondergebnis erzielt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zum Bonden ist vorgesehen, dass die Positionierung ein Schwenken des zweiten Substrathalters um 180° umfasst. Bevorzugt bildet ein Schwenken des zweiten Substrathalters die Positionierung, so dass der erste Substrathalter nicht bewegt werden muss. Nach der Positionierung bzw. der Überführung in die Bondposition ist gegebenenfalls eine Annäherung der Substrathalter notwendig. Durch das Schwenken des zweiten Substrathalters von 180° um die Symmetrieachse kann vorteilhaft ein besonders einfaches und fehlerfreies Überführen in die Bondposition bewirken. Nach der Schwenkung ist der zweite Substrathalter vorzugsweise genau senkrecht zur Richtung in dem Beladungszustand ausgerichtet.
Dabei bedeutet aufeinander zu, dass die Substrathalteroberflächen einender zugewandt ausgerichtet werden. Eine zusätzliche Bewegung zur initialen Kontaktierung zum Bonden erfolgt dann insbesondere nur durch ein Annähern der ersten Substrathalteroberfläche und der zweiten Substrathalteroberfläche bzw. des ersten Substrathalters und des zweiten Substrathalters. Dabei werden vorzugsweise die identen Haltekräfte beibehalten und die korrespondierenden Muster lediglich weiter aufeinander zu bewegt. Die Ausrichtung erfolgt vorzugsweise nur durch das Schwenken.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zum Bonden ist vorgesehen, dass die Positionierung ein Schwenken des ersten Substrathalters und des zweiten Substrathalters um j eweils 90° aufeinander zu umfasst. Dabei werden beide Substrathalter entlang der Symmetrieachse oder durch parallele Mittelpunktsachsen im j eweiligen Mittelpunkt der Substrathalter geschwenkt. Auf diese Weise ist auch nach der Positionierung die Schwerkraft für das erste und das zweite Substrat gleich, wenn im Beladungszustand die Ausrichtung zur Erdanziehungskraft senkrecht war. Besonders bevorzugt ist im Beladungszustand die erste Substrathalteroberfläche und die zweite Substrathalteroberfläche genau senkrecht zur Schwerkraft ausgerichtet. Das Bondergebnis kann bei einem beidseitigen Schwenken somit verbessert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens zum Bonden ist vorgesehen, dass die identischen Haltekräfte, während dem Boden aufrechterhalten werden. Auf diese Weise werden die identen Haltekräfte nicht nur bei der Fixierung und bei der Überführung bzw. Positionierung in die Bondposition beibehalten, sondern auch danach bis nach dem Abschluss des Bonden aufrechterhalten. Auf diese Weise können sich die Eigenspannungen auf Grund der Beladung ausgleichen und das Bondergebnis wird verbessert.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Bonden von Substraten, zumindest aufweisend einen ersten Substrathalter mit einer ersten Substrathalteroberfläche, erste Fixiermittel zum Fixieren eines ersten Substrates an der ersten Substrathalteroberfläche, einen zweiten Substrathalter mit einer zweiten Substrathalteroberfläche, zweite Fixiermittel zum Fixieren eines zweiten Substrates an der zweiten Substrathalteroberfläche, und Positionierungsmittel zum Positionieren des zweiten Substrathalters relativ zu dem ersten Substrathalter, wobei die Vorrichtung in einen Beladungszustand überführbar ist, in welchem die erste Substrathalteroberfläche und die zweite Substrathalteroberfläche relativ zur Erdanziehungskraft in dem gleichen Winkel angeordnet sind, wobei in dem Beladungszustand die erste Substrathalteroberfläche und die zweite Substrathalteroberfläche in eine gleiche Richtung relativ zur Erdanziehungskraft ausgerichtet sind und wobei die ersten Fixiermittel und die zweiten Fixiermittel dazu eingerichtet sind in dem Beladungszustand jeweils identische Haltekräfte zur Fixierung bereitzustellen.
In anderen Worten wirken die ersten Fixiermittel und die zweiten Fixiermittel in identischer Art und Weise auf ein erstes Substrat und ein zweites Substrat. Die Vorrichtung ist dazu eingerichtet, dass die bereitgestellten Haltekräfte der ersten Fixiermittel und der zweiten Fixiermittel gleich groß sind. Besonders bevorzugt sind die Fixiermittel dazu eingerichtet, gleichzeitig und innerhalb des geleichenen Zeitraums die identischen Haltekräfte bereitzustellen. Dabei ist der Anstieg pro Zeiteinheit der Haltekräfte vorzugsweise ebenfalls bei den Fixiermitteln identisch beziehungsweise die Vorrichtung ist dazu ausgebildet. Durch die Beladung in dem Beladungszustand wird ein gleiches Spannungsmuster in den beiden zu bondenden Substraten erzeugt. Auf diese Weise wird das Bondergebnis unerwartet verbessert. Die Vorrichtung kann eine Steuereinheit aufweisen, welche dazu eingerichtet ist, die j eweiligen Bedingungen im Beladungszustand herzustellen. Die weiteren Vorteile und Merkmale des zuvor beschriebenen Verfahrens zum Bonden sollen analog auch für die Vorrichtung gelten.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung zum Bonden von Substraten ist vorgesehen, dass die Vorrichtung dazu eingerichtet ist, dass in dem Beladungszustand die erste Substrathalteroberfläche und die zweite Substrathalteroberfläche parallel nebeneinander versetzt angeordnet sind. Dabei ist insbesondere ein Mittelpunkt der Substrathalteroberflächen in Bezug auf die Richtung versetzt. Vorzugsweise sind ist die erste Substrathalteroberfläche und die zweite Substrathalteroberfläche im Beladungszustand so versetzt nebeneinanderangeordnet, dass diese nicht fluchten, sondern einen Abstand zueinander in Bezug auf den gleichen Winkel aufweisen. Auf diese Weise kann eine besonders gleiche Beladung erfolgen und somit das Bondergebnis verbessert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung zum Bonden von Substraten ist vorgesehen, dass der zweite Substrathalter aus dem Beladungszustand in eine Bondposition schwenkbar ist. Die Bondposition zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass die Substrathalteroberflächen einander zugewandt sind und parallel zueinander ausgerichtet sind, so dass ein Bonden lediglich durch Annäherung erfolgen kann. In anderen Worten sind in der Bondposition die Substrate bereites ausgerichtet und die Positionierung abgeschlossen. Dazu können Annäherungsmittel vorgesehen sein. Durch das einfache Schwenken in die Bondposition aus dem Beladungszustand nach einer Fixierung durch die Fixiermittel, kann vorteilhaft das Bondergebnis verbessert werden. Die Ausführung der Vorrichtung als Flip-Bonder ist bevorzugt. In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung zum Bonden von Substraten ist vorgesehen, dass die Positionierungsmittel ein Schwenkgelenk umfassen. Auf diese Weise kann besonders einfach und genau um die Schwenkachse eine Positionierung der Substrathalter erfolgen, wodurch das Bondergebnis verbessert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung zum Bonden von Substraten ist vorgesehen, dass die zweiten Fixiermittel achsensymmetrisch zu den ersten Fixiermitteln in dem Beladungszustand angeordnet sind. In anderen Worten gibt es nach der Beladung eine Position, in welcher die Spannungsmuster der Substrate fluchten bzw. die Substrathalteroberflächen sowie die Fixierelemente fluchten, also in der Bondposition. Dabei sind ganz besonders bevorzugt sämtliche die Spannung in den Substraten beeinflussende Merkmale und Komponenten der beiden Substrathalter achsensymmetrisch.
Die Achsensymmetrie wird vorzugsweise durch eine Spiegelachse definiert, welche durch das Schwenkgelenk verläuft. In anderen Worten sind in dem Beladungszustand die erste Substrathalteroberfläche und die zweite Substrathalteroberfläche, insbesondere die ersten und die zweiten Fixiermittel, in Bezug auf die Schwenkachse symmetrisch angeordnet, so dass nach dem Schwenken in die Bondposition die Anordnung der Fixierelemente zueinander fluchtet. Sind der erste Substrathalter und der zweite Substrathalter in dem Beladungszustand in unterschiedlichen Höhen nebeneinander versetzt angeordnet, verläuft die Spiegelachse durch die Ebene, welche die durch die Schwenkachse und dem bestimmten Winkel der Substrathalter in dem Beladungszustand aufgespannt wird. In j edem Fall wird das Muster der Fixierelemente korrespondierend zueinander ausgeführt, so dass nach der Überführung in den Bondzustand die gegenüberliegenden Substrathalteroberflächen ein identisches und fluchtendes Spannungsmuster auf Grund der Beladung aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung zum Bonden von Substraten ist vorgesehen, dass die ersten Fixiermittel und die zweiten Fixiermittel elektrostatische Fixiermittel sind. Besonders bevorzugt sind die ersten und zweiten Fixiermittel in den Substrathalteroberflächen eingelassen. Dabei sind besonders bevorzugt auch die entsprechenden Einlassungsrillen in symmetrischen Mustern wie die ersten und zweiten Fixiermittel angeordnet. Bei einer vollflächigen Ausbildung der elektrostatischen Fixiermittel, fluchten die Dimensionen und Anordnungen in der Bondposition ebenfalls. In einer anderen Ausführungsform sind die Fixiermittel Vakuumbahnen, wobei die Anordnung und sonstige Ausbildung ebenfalls deckungsgleich bzw. korrespondierend in der Bondposition ausgebildet sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung zum Bonden von Substraten ist vorgesehen, dass in der Bondposition der erste Substrathalter und der zweite Substrathalter eine fluidisch dichte Bondkammer ausbilden. Auf diese Weise kann durch Schwenken und gegebenenfalls ein Annähern eine Bondkammer zwischen dem ersten Substrathalter und dem zweiten Substrathalter ausgebildet werden. Die Substrate sind dabei innerhalb der Bondkammer angeordnet. Auf diese Weise kann vorteilhaft ein Bonden in einem geschützten Raum erfolgen, wodurch das Bondergebnis verbessert wird. Zudem kann bei einer besonders bevorzugten fluidisch dichten Bondkammer ein Vakuum vor dem Bonden in der Bondkammer eingestellt werden oder ein Fluid eingebracht werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung zum Ausrichten von Substraten ist vorgesehen, dass die ersten Fixiermittel und die zweiten Fixiermittel dazu eingerichtet sind die identischen Haltekräfte zumindest bis zur Überführung in die Bondposition bereitzustellen. Besonders bevorzugt werden die identischen Haltekräfte durch die Fixiermittel bis unmittelbar nach dem Bonden des ersten Substrates mit dem zweiten Substrat bereitgestellt. Auf diese Weise kann vorteilhaft die Spannung in dem Muster in dem ersten und in dem zweiten Substrat gleich gehalten werden, zumindest welche auf Grund der Beladung/Fixierung in dem Beladungszustand bereitgestellt werden. Auf diese Weise können Spannungen ausgeglichen und das Bondergebnis verbessert werden.
Ein besonders wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung ist es, dass beide Substrate vor der Kontaktierung bzw. dem Bonden auf identischer Weise auf symmetrisch aufgebaute Aufnahmeeinrichtungen aufgenommen werden, sodass die Substrate mit j eweils korrespondierenden Stressmuster kontaktiert und gebondet werden. Die Beladung der beiden Substrate wird insbesondere mit identem Schwerkrafteinfluss, beispielsweise beide von oben, durchgeführt. Alle Merkmale der Aufnahmeeinrichtungen, die indirekt einen Einfluss auf die Substratform haben können, werden für das erste Substrat und für das zweiten Substrat symmetrisch, bevorzugt innerhalb der gleichen Zeit, besonders bevorzugt gleichzeitig ausgeführt, sodass das erste und das zweite Substrat vor dem Bonden identische, gegenüberliegende, von der Aufnahmeeinrichtung bedingte, Spannungsmuster zeigen. Dabei wird bevorzugt mindestens eine der Aufnahmeeinrichtungen schwenkbar gelagert. Dazu wird die Fixierung bzw. Haltekraft so bereitgestellt, dass nach dem Schwenken die zu bondenden Oberflächen zueinander die gleichen Spannungsmuster aufweisen. Bevorzugt verbleiben beide Substrate während dem Bonden auf der Aufnahmeeinrichtung fixiert. Durch die symmetrische Ausführung der Aufnahmeeinrichtungen wird der Einfluss von Beladungsstress minimiert, wodurch nach dem Bonden die Eigenspannung minimiert wird. Durch die Fixierung mindestens einer der Substrate, bevorzugt beider Substrate während dem Bonden werden weitere Verzerrungen minimiert.
Das Verfahren zum Bonden führt zu einer Reduktion von Spannungsmustern, die als Verzerrung in das Bondinterface beim Bonden mit eingebaut werden. Die Relaxation von korrespondierenden Stressmuster führt zu einer minimierten Eigenspannung auch nach dem Loslösen des Substratstapels. Es liegt der Grundgedanke zugrunde, dass beide Substrate vor der Kontaktierung oder dem Bonden auf identischer Weise auf symmetrisch aufgebaute Aufnahmeeinrichtungen aufgenommen werden, sodass der Stress am Substrat bedingt durch die Aufnahme und Beladung auf der Aufnahmeeinrichtung minimiert wird und die Substrate mit j eweils korrespondierenden Spannungsmuster kontaktiert und gebondet werden. Im weiteren Verlauf werden die Worte Stress, Belastung sowie Spannung synonym verwendet. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist, dass die Substrate nach der Kontaktierung an den Aufnahmeeinrichtungen während dem Bonden fixiert bleiben, sodass Verzerrungen minimiert werden indem korrespondierende Spannungsmuster sich möglichst gegenseitig aufheben und dadurch eine Reduzierung der Eigenspannung erreicht wird.
Es wird vorgeschlagen ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Bonden eines ersten Substrats mit einem zweiten Substrat aneinander zugewandten Kontaktflächen der Substrate mit folgenden Schritten, insbesondere folgendem Ablauf durchzuführen:
-Aufnahme des ersten Substrats an einer ersten Aufnahmefläche einer ersten Aufnahmeeinrichtung, wobei die Beladung von oben erfolgt,
-Aufnahme des zweiten Substrats an einer zweiten Aufnahmefläche einer zweiten Aufnahmeeinrichtung, wobei die Beladung von oben erfolgt, -Befestigung der Substrate an den Aufnahmeflächen durch Fixierelemente, -Drehen der schwenkbar gelagerten ersten und/oder zweiten Aufnahmeeinrichtung, sodass beide zu bondenden Substratoberflächen zueinander und symmetrisch ausgerichtet sind,
-Ausrichtung der Substrate,
-Annäherung der beiden Substrate und Bonden durch Kontaktierung, wobei die erste und zweite Aufnahmeeinrichtung eine symmetrische Ausführung aller Komponenten haben und wobei nach der Kontaktierung die Substrate an der ersten und/oder zweiten Aufnahmeeinrichtung während dem Bonden fixiert verbleiben. Die zwei Aufnahmeeinrichtungen beziehungsweise Substrathalter können um eine beliebige Achse rotiert werden und dann durch X/Y/Rotation in eine justierte, symmetrische Lage gebracht werden.
Entscheidend ist die Beladung beider Substrate in symmetrischer Orientierung bei identem Schwerkrafteinfluss auf der ersten und auf der zweiten Aufnahmeeinrichtung. Zum Bonden wird nun bevorzugt entweder eine Aufnahmeeinrichtung mit Substrat um 180° kopfstehend geschwenkt werden, oder beide Aufnahmeeinrichtungen mit Substrat um 90° zueinander gedreht werden, sodass sie sich auch symmetrisch treffen.
Zu den Komponenten der ersten und zweiten Aufnahmeeinrichtung, die in Bezug auf die Kippachse und/oder die Spiegelachse zwischen erster und zweiter Aufnahmeeinrichtung symmetrisch aufgebaut sind, gehören insbesondere die Ladestifte und die Fixierungs- und Stützungs-Elemente sowie weitere mögliche charakteristische Oberflächen-Merkmale der Aufnahmeeinrichtung.
Die Ladestifte, bevorzugt drei Ladestifte, sind symmetrisch auf einem gleichen Radius auf beide Aufnahmeeinrichtungen kreisförmig angeordnet. Werden die Substrate j eweils auf der ersten und zweiten Aufnahmeeinrichtung von oben auf die Ladestifte Beladen, verbiegen sich beispielsweise die Substrate gemäß der Einwirkung der Schwerkraft. Nach Aufnahme der Substrate an der Aufnahmefläche der Aufnahmeeinrichtungen verbleiben der Beladungsstress bzw. die Spannungsmuster am fixierten Substrat. Durch die Symmetrie der Komponenten der Aufnahmeeinrichtungen sind auch die Spannungsmuster am ersten und am zweiten Substrat symmetrisch. Die Auswirkung der Schwerkraft auf den Beladungsstress der Substrate wird dadurch minimiert oder bevorzugt eliminiert da sich die Effekte auf beide Substrate nach Kontaktierung durch die Symmetrie aufheben können.
Die Spannungsmuster beider Substrate sind somit symmetrisch entlang der Bondgrenzfläche. Nach Loslösen des gebondeten Substratstapels können beide Substrate durch Entspannung die noch vorhandene Eigenspannung in gleicher Weise verringern, sodass verbleibende Spannungen minimiert werden. Substrate
Das erste und/oder zweite Substrat ist mit Vorzug radialsymmetrisch. Obwohl das Substrat j eden beliebigen Durchmesser besitzen kann, ist der Substratdurchmesser insbesondere 1 Zoll, 2 Zoll, 3 Zoll, 4 Zoll, 5 Zoll, 6 Zoll, 8 Zoll, 12, Zoll, 18 Zoll oder größer als 18 Zoll. Die Dicke des ersten und/oder zweiten Substrats liegt zwischen 1 pm und 2000 pm, mit Vorzug zwischen 10 pm und 1500 pm, mit größerem Vorzug zwischen 100 pm und 1000 pm. In besonderen Ausführungsformen kann ein Substrat auch eine rechteckige, oder zumindest von der kreisförmigen Gestalt abweichende, Form besitzen. Als Substrate werden vorzugsweise Wafer, besonders bevorzugt kreisrunde Wafer, verwendet.
Aufnahmeeinrichtung
Die Aufnahmeeinrichtungen ermöglichen eine zuverlässige und ebene Stützung und Fixierung der Substrate. Die Fixierung erfolgt beispielsweise durch Anlegen eines Vakuums zwischen dem Substrat und der Aufnahmeeinrichtung, durch mechanische Klemmung, durch elektrostatische Aufladung, oder durch andere steuerbare chemisch-physikalische Adhäsionseigenschaften.
Dabei werden bevorzugt elektrostatische Aufnahmeeinrichtungen zur Aufnahme und Halterung eines Substrats verwendet. Die Ausführungsformen der Vorrichtung zum Bonden beziehungsweise Bondvorrichtung können j edes Substrat, unabhängig von dessen Durchmesser, handhaben.
Dabei werden besonders bevorzugt in elektrostatische Aufnahmeeinrichtungen Elektroden zur Erzeugung einer elektrostatischen Haltekraft zur Fixierung des Substrats eingesetzt. Dabei wird das Substrat auf eine Haltefläche beziehungsweise Substrathalteroberfläche fixiert. Die Haltefläche ist eine zur Substratbefestigung ausgebildete, bevorzugt eben ausgeführte, Fläche einer Aufnahmeeinrichtung, welcher als Bauteil in der Substrathalterung eingebaut ist. Im weiteren Verlauf wird die Ebenheit als Maß für die Perfektion einer planen Oberfläche verwendet (mathematisch ideale Ebene). Die Ebenheit bezeichnet die Struktur einer Oberfläche, die sich zwischen zwei idealen planaren Flächen befindet. Der Abstand der beiden planaren Flächen definiert die Toleranz. Abweichungen von einer planen Oberfläche entstehen durch makroskopische und/oder mikroskopische Oberflächen- Fehler. Diese Fehler lassen sich auch als Welligkeiten und Rauigkeit definieren. Die Welligkeit einer Oberfläche kann als eine periodische Anhebung und Absenkung der Oberfläche, insbesondere im Millimeter- und Mikrometerbereich beschrieben werden. Die Rauigkeit hingegen ist ein eher aperiodisches Phänomen im Mikro- und/oder Nanometerbereich.
Um die unterschiedlichen Abweichungen von der idealen Oberfläche zu behandeln, wird im weiteren Verlauf der Beschreibung der Begriff der Rauheit synonym für die Überlagerung aller derartigen Effekte verwendet werden. Die Rauheit wird 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.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die elektrostatischen Aufnahmeeinrichtungen beziehungsweise Substrathalter mit elektrostatischen Fixiermitteln eine besonders eben ausgeführte Haltefläche besitzen, um das Substrat elektrostatisch anzudrücken und das hochstabile Halten zu gewährleisten. Die elektrostatische Anziehung bewirkt eine gleichmäßige Verteilung der Haltekräfte über die gesamte Fläche. Die Ebenheit der Aufnahmeeinrichtung ist besser beziehungsweise genauer als die Dickenvariation und Nanotopografie der Substrate. Dabei können die Substrate durch Vorprozessschritte bereits mechanische Spannungen aufweisen, die im nicht fixierten Zustand eine Verformung verursachen könnte. Substrate mit Keilfehler sind für Aufnahmeeinrichtungen im Stand der Technik kein Problem. Keilfehler können kompensiert werden.
Problematischer sind Dickenvariationen höherer Ordnung (beispielsweise Zentrum vs. Rand, vier Quadranten, usw.). Substrate mit hohen Ebenheitsund Krümmungsanforderungen wie beispielsweise Reflexionsmasken benötigen Halteflächen mit hoher Ebenheit da sonst Fehler wie beispielsweise Bildplatzierungsfehler und Überlagerungsfehler (Verzerrungen) entstehen. Insoweit ist ein Mittel zum Keilfehlerausgleich im Zusammenhang mit der Vorrichtung zum Bonden bevorzugt.
Die Ebenheit der Halteflächen der elektrostatischen Fixiermittel ist kleiner als 1000 nm, bevorzugt kleiner als 200 nm, noch bevorzugter kleiner als 50 nm, am allerbevorzugtesten kleiner als 1 nm (Unterschied zwischen dem höchsten Punkt und dem niedrigsten Punkt der Oberfläche bzw. der Haltefläche).
Insbesondere die Nanotopographie ist ein wesentlicher Parameter für die Oberflächenqualität. Lokale (sprunghafte) Unebenheiten sind besonders zu vermeiden. Die Rauheit ist dabei kleiner als 100 nm, vorzugsweise kleiner als 10 nm, noch bevorzugter kleiner als 1 nm, am bevorzugtesten kleiner als 1 Ä. Die Rauheit ist insbesondere auch kleiner als lnm/pm Ebenheitsänderung, noch bevorzugter kleiner als lÄ/pm Ebenheitsänderung.
Für Strukturen im nm-Bereich und exaktes Overlay ist eine Reproduzierbarkeit der Ebenheit der zu bondenden Substrate sehr wichtig. Die Haltekraft der ultraflachen elektrostatischen Fixiermitteln mit einer besonders eben ausgeführten Haltefläche ermöglicht eine konforme Planarisierung der Substrate.
Beide Substrate werden bevorzugt von oben, also senkrecht zur Gravitation, beladen. Die Rückseite der Substrate wird mit Ladstifte auf die Haltefläche gebracht und durch elektrostatische Kräfte fixiert. Dabei werden die Substrate mit hoher Positioniergenauigkeit und mit hoher Haltekraft fixiert. Die Elektroden sind besonders bevorzugt relativ zur Substrathalteroberfläche eingelassen beziehungsweise eingebettet und können unipolar oder bipolar ausgeführt werden. Die Ausführung der Elektroden ist symmetrisch bezüglich der Achse der beiden Substrate beziehungsweise zur Bondgrenzfläche.
Entscheidend ist die Beladung beider Substrate in symmetrischer Orientierung beziehungsweise Richtung bei identem Schwerkrafteinfluss auf der ersten und auf der zweiten, symmetrisch ausgeführten, Substrathalteroberfläche. Zum Bonden kann nun entweder eine Aufnahmeeinrichtung mit Substrat um 180° kopfstehend geschwenkt werden und bei Bedarf genau oberhalb der unteren Aufnahmeeinrichtung platziert werden, oder beide Aufnahmeeinrichtungen mit Substrat um 90° zueinander gedreht werden, sodass sie sich auch symmetrisch treffen.
Zu den Komponenten der ersten und zweiten Aufnahmeeinrichtung, die in Bezug auf die Kippachse und/oder die Spiegelachse zwischen erster und zweiter Aufnahmeeinrichtung symmetrisch aufgebaut sind, gehören insbesondere die Ladestifte und die Fixierungs- und Stützungs-Elemente sowie weitere Oberflächen-Merkmale der Aufnahmeeinrichtung.
Verfügt die Aufnahmeeinrichtung beziehungsweise der Substrathalter über Ladestifte (engl. : loading pins) befinden sich notwendigerweise Löcher in der Substrathalteroberfläche. Die Löcher, in denen sich die Ladestifte bewegen bzw. die Ladestifte selbst werden bevorzugt mit einer Dichtung versehen. Dabei werden die Position der Ladestifte, die Öffnungen der Ladestifte, der Durchmesser der Öffnungen der Ladestifte, sowie die Dichtungen identisch und symmetrisch auf beiden Aufnahmeeinrichtungen ausgeführt.
Symmetrische Merkmale liegen nach Drehung einer (um 180°) oder beider (um 90°) Aufnahmeeinrichtungen einander gegenüber. Die Aufnahmeeinrichtungen sind achsensymmetrisch und/oder spiegelsymmetrisch aufgebaut j e nachdem ob eine oder beide Aufnahmeeinrichtungen gekippt oder gedreht werden. Verfügt die Vorrichtung zum Bonden beziehungsweise Bondvorrichtung über Aussparungen, beispielsweise für Messmittel, sind bevorzugt auch diese identisch und symmetrisch auf beiden Aufnahmeeinrichtungen aus geführt. Auch weitere Merkmale wie Muster, Strukturen oder eine Strukturierung auf der Haltefläche werden besonders bevorzugt identisch und symmetrisch auf beiden Aufnahmeeinrichtungen ausgeführt.
Die Flächen, an denen die Fixierung erfolgt, können auch mit einem Muster versehen sein, einer Rillung, Noppen, Stifte, oder einer anderen beliebigen Topographie oder Oberflächen-Strukturierung. Die Rillen können beispielsweise linear, kreisförmig oder beliebig geformt sein. Auch eine beliebige Kombination ist möglich, beispielsweise Rillen und Noppen. Die ausgewählte Topographie kann die Kontaktfläche weiter reduzieren, um eine möglichst geringe Aufnahmefläche zu erhalten.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die ultraflachen elektrostatischen Substrathalter symmetrisch ausgeführte Rillen aufweisen, die über den Substratrand hinausgeführt sind, um ein Luftpolster und „schwimmen“ des Wafers nach der Beladung (vor der Fixierung) zu verhindern. Die Rillen sind derart dimensioniert und verteilt, um ein Entweichen der Umgebungsgase zu ermöglichen. Die Rillen sind beispielsweise Mikrorillen.
In einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die elektrostatische Aufnahmeeinrichtung symmetrisch ausgeführte Noppen aufweist, um das Risiko von Kontamination der Substratrückseite zu verringern. Die Substrathalteroberfläche kann dann zumindest teilweise durch die Oberflächen der Noppen gebildet werden.
Die elektrostatische Anziehung bewirkt nicht nur eine gleichmäßige Verteilung der Haltekräfte über die gesamte Fläche, sondern auch einen guten Wärmeaustausch und einen reduzierten Abrieb. Daher sind elektrostatische Fixierelemente beziehungsweise Fixiermittel bevorzugt. Dabei werden für die Aufnahmeeinrichtung bevorzugt Materialien mit minimaler thermischer Ausdehnung ausgewählt (thermische Invarianz).
Neben der Materialauswahl wird auch durch maschinelle Bearbeitung eine Glättung der Oberflächen erreicht, sodass der Reibungskoeffizient der Haltefläche zum Substrat minimiert wird. Nicht nur die äußeren Merkmale der ersten und zweiten Aufnahmeeinrichtung sind in Bezug auf die Kippachse und/oder die Spiegelachse zwischen erster und zweiter Aufnahmeeinrichtung symmetrisch und identisch aufgebaut. Die erste und die zweite Aufnahmeeinrichtung sind auch insgesamt (nahezu) identisch sodass beide bevorzugt die gleiche Dicke haben und aus den gleichen Komponenten und Materialien aufgebaut sind. Besonders bevorzugt weisen ein erster und zweiter Verbund, bestehend j eweils aus Substrat und Aufnahmeeinrichtung beziehungsweise Substrathalter, eine identische mechanische Steifigkeit auf.
Die Dicke der Aufnahmeeinrichtung wird so ausgewählt, dass die Gesamtsteifigkeit der Aufnahmeeinrichtung mitsamt Substrat nicht vom anisotropischen Youngscher Modul (E-Modul) des Substrats dominiert wird.
Die bevorzugten ultraflachen elektrostatischen Aufnahmeeinrichtungen können in Vakuum-, Hochvakuum-, und/oder Ultrahochvakuumanlagen eingesetzt werden. Die elektrostatischen Aufnahmeeinrichtungen können auch bei Umgebungsdruck unter Gas-Atmosphäre, insbesondere Inertgas- Atmosphäre eingesetzt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass das Substrat und/oder die Aufnahmeeinrichtung in mindestens drei Freiheitsgraden beweglich ist, bevorzugt in mindestens vier Freiheitsgraden, bevorzugter in mindestens fünf Freiheitsgraden, am bevorzugtesten in allen sechs Freiheitsgraden. Dies ermöglicht eine verbesserte Beweglichkeit des Substrats und/oder der Aufnahmeeinrichtung.
Die Z-Richtung beziehungsweise Z-Achse verläuft in der Beladungs-Position senkrecht als Flächennormale zur Haltefläche der Aufnahmeeinrichtung. Die X- und Y- Richtungen beziehungsweise X- und Y-Achsen verlaufen senkrecht zueinander und parallel zur bzw. in der Haltefläche der Aufnahmeeinrichtung.
Eine Rotation um die X-Achse wird mit r, eine Rotation um die Y-Achse wird mit q und eine Rotation um die Z-Achse wird mit j bezeichnet. In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass das Positionier-, Fixier- und Bewegungssystem für mindestens einen Freiheitsgrad mit einem Grobantrieb und einem Feinantrieb ausgebildet ist. Dieser ermöglicht vorteilhaft die exakte Einstellung der Bewegungen.
In einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die Aufnahmeeinrichtungen eine zentrale Steuereinheit und/oder Regeleinheit zur Steuerung und/oder Regelung von Bewegungen und/oder Abläufen aufweist, insbesondere der Fixierung der Substrate und der Position der Aufnahmeeinrichtungen im Beladungszustand. Dabei weisen die Aufnahmeeinrichtungen beziehungsweise Substrathalter bevorzugt mindestens einen Sensor zur Messung von Einflussfaktoren, insbesondere mindestens ein Abstands- und/oder Positionssensor. Die Sensoren sind ebenfalls symmetrisch platziert und identisch aufgebaut.
Bondvorrichtung
Zum Bonden sind Bondmittel zum Bonden und/oder Prebonden und/oder temporären Bonden vorgesehen. Die Worte Bonden, Prebonden und Temporärbonden werden synonym verwendet.
Alle Ausführungsformen der Vorrichtung zum Bonden können im Niedervakuum, mit größerem Vorzug im Hochvakuum, mit noch größerem Vorzug im Ultrahochvakuum betrieben werden, insbesondere bei einem Druck von weniger als 100 mbar, mit Vorzug weniger als 0, 1 mbar, mit größerem Vorzug weniger als 0,001 mbar, mit noch größerem Vorzug weniger als 10e-5 mbar, mit allergrößtem Vorzug weniger als 10e-8 mbar.
Entscheidend für die Vorrichtung zum Bonden ist die Beladung beider Substrate in symmetrischer Orientierung bei identem Schwerkrafteinfluss auf der ersten und auf der zweiten Aufnahmeeinrichtung beziehungsweise Substrathalter. Beide zu bondende Substrate werden bevorzugt von oben beladen. Dabei wird besonders bevorzugt mindestens eine der Aufnahmeeinrichtungen schwenkbar gelagert. Zum Bonden wird insbesondere entweder eine Aufnahmeeinrichtung mit Substrat um 180° kopfstehend geschwenkt werden, oder beide Aufnahmeeinrichtungen mit Substrat um 90° zueinander gedreht werden, sodass sie sich auch symmetrisch treffen. Wird eine Aufnahmeeinrichtung mit Substrat um 180° kopfstehend geschwenkt, ist eine rotatorische Bewegung oder eine Kombination aus rotatorischtranslatorische Bewegung denkbar. Die Aufnahmeeinrichtungen können um eine beliebige Achse rotiert werden. Die Drehung der Aufnahmeeinrichtung mit Substrat um 180° kann somit um eine Spiegelachse in der X-Y-Ebene der Aufnahmeeinrichtung stattfinden oder als Rotationsbewegung über ein Schwenkgelenk.
Die Vorrichtung ermöglicht eine hochgenaue Justierung der fixierten Substrate für eine exakte Ausrichtung. Die Aufnahmeeinrichtungen sind zur Annäherung und zur Kontaktierung der Substrate ausgebildet.
Bondprozesse beziehungsweise Bonden
Die Substrate werden vor dem Bondvorgang zueinander ausgerichtet. Vorzugsweise erfolgt die Ausrichtung durch Ausrichtungsanlagen und anhand von Ausrichtungsmarken. Nach der Ausrichtung der beiden Substrate zueinander erfolgt insbesondere die Kontaktierung.
Besonders kritisch beim Bonden zweier Substrate ist der Schritt der Kontaktierung der ausgerichteten Kontaktflächen der beiden gegenüberliegenden Substrate, denn die Forderung geht hin zu immer exakterer Justiergenauigkeit beziehungsweise Offset von weniger als 50 pm, insbesondere weniger als 1 pm, vorzugsweise weniger als 250 nm, noch bevorzugter weniger als 150 nm, am bevorzugtesten weniger als 50 nm. Bei solchen Ausrichtungsgenauigkeiten sind viele Einflussfaktoren zu berücksichtigen.
Beim Kontaktieren und beim Ablegen der Substrate können Fehler auftreten, wobei sich die Fehler addieren und somit eine reproduzierbare Justiergenauigkeit nicht eingehalten werden kann. Dies kann zu erheblichem Ausschuss führen. In einer ersten bevorzugten Ausführungsform bleiben nach der Kontaktierung beide Substrate j eweils an der ersten und zweiten Aufnahmeeinrichtung beziehungsweise dem Substrathalter während dem Bonden fixiert.
Verbleiben beide Substrate an der j eweiligen Aufnahmeeinrichtung während dem Bonden fixiert, haben Dickenvariation (TTV, engl. total thickness variation) und Stressmuster der Substrate einen geringen Einfluss auf das Bondergebnis. Dabei wird eine parallele, spontane (1 : 1) Verbindung der beiden an der Aufnahmeeinrichtung fixierten Substrate erreicht, wobei keine Deformation der Substrate an der Bondfront stattfindet. Das Verbünden findet bevorzugt im Hochvakuum oder im Ultrahochvakuum statt.
Der Bondvorgang besteht insbesondere aus einer Kraft und/oder Temperatureinwirkung. Die Bondkraft ist insbesondere größer als 0.01 kN, vorzugsweise größer als 0.1 kN, noch bevorzugter größer als 1 kN, am bevorzugtesten größer als 10 kN, am aller bevorzugtesten größer als 100 kN. Die entsprechenden Druckbereiche ergeben sich durch Normierung der Bondkraft auf die Fläche der Substrate.
Die Bondtemperatur ist insbesondere kleiner als 200°C, vorzugsweise kleiner als 150°C, noch bevorzugter kleiner als 100°C, am bevorzugtesten kleiner als 50°C, am aller bevorzugtesten bei Raumtemperatur.
In einer zweiten Ausführungsform bleibt nach der Kontaktierung insbesondere das zweite, obere Substrat an der Aufnahmeeinrichtung während dem Bonden fixiert. Verbleibt das zweite, obere Substrat an der Aufnahmeeinrichtung während dem Bonden fixiert, findet eine geringere Deformation des oberen Substrats an der Bondfront statt wegen der höheren Steifigkeit des fixierten Substrats.
In einer dritten Ausführungsform bleibt nach der Kontaktierung insbesondere das erste und/oder das zweite Substrat an der Aufnahmeeinrichtung während dem Bonden fixiert. Durch die Fixierung mindestens einer der Substrate während dem Bonden werden Verzerrungen minimiert. Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die zeigen schematisch in:
Figur l a eine Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform der der Bondvorrichtung,
Figur 1 b eine Aufsicht den ersten Substrathalter und den zweiten Substrathalter einer ersten Ausführungsform einer der Vorrichtung gemäß Figur l a,
Figur 2a eine Aufsicht auf den ersten und den zweiten Substrathalter einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung mit einer ersten Rotationsachse A-A,
Figur 2b auf den ersten und den zweiten Substrathalter einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung mit einer zweiten Rotationsachse B-B,
Figur 3a eine Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung mit mechanisch ausgeführtem Scharnier in der Symmetrieachse, mit Ladestifte der ersten und zweiten Aufnahmeeinrichtung im Beladungszustand,
Figur 3b eine Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung mit mechanisch ausgeführtem Scharnier in der Symmetrieachse nach Beladung des ersten und zweiten Substrats auf die Ladestifte,
Figur 3c eine Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung mit mechanisch ausgeführtem Scharnier in der Symmetrieachse nach Aufnahme des ersten und zweiten Substrats auf dem ersten und dem zweiten Substrathalter,
Figur 4 eine Querschnittsansicht einer Vorrichtung in dem Beladungszustand und in der Bondposition vor dem Bonden des ersten und zweiten Substrats, Figur 5a eine Querschnittsansicht der Vorrichtung in einem ersten
Verfahrensschritt eines beispielhaften Verfahrens zum Bonden,
Figur 5b eine Querschnittsansicht der Vorrichtung in einem zweiten Verfahrens schritt,
Figur 5c eine Querschnittsansicht der Vorrichtung in einem dritten Verfahrens schritt,
Figur 5d eine Querschnittsansicht der Vorrichtung in einem vierten Verfahrens schritt,
Figur 5e eine Querschnittsansicht der Vorrichtung in einem fünften Verfahrens schritt,
Figur 5f eine Querschnittsansicht der Vorrichtung in einem sechsten Verfahrens schritt,
Figur 6a eine Querschnittsansicht einer dritten Ausführungsform der Vorrichtung in einem ersten Verfahrensschritt,
Figur 6b eine Querschnittsansicht einer dritten Ausführungsform der Vorrichtung in einem zweiten Verfahrensschritt,
Figur 6c eine Querschnittsansicht einer dritten Ausführungsform der Vorrichtung in einem dritten Verfahrensschritt,
Figur 7a eine Querschnittsansicht einer vierten Ausführungsform der Vorrichtung in einem ersten Verfahrensschritt,
Figur 7b eine Querschnittsansicht einer vierten Ausführungsform der Vorrichtung in einem zweiten Verfahrensschritt,
Figur 7c eine Querschnittsansicht einer vierten Ausführungsform der Vorrichtung in einem dritten Verfahrensschritt,
Figur 8a eine Querschnittsansicht einer fünften Ausführungsform der Vorrichtung in einem ersten Verfahrensschritt,
Figur 8b eine Querschnittsansicht einer fünften Ausführungsform der Vorrichtung in einem zweiten Verfahrensschritt. In den Figuren sind gleiche Bauteile oder Bauteile mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Die Figur l a zeigt eine schematische, nicht maßstabsgetreue, Ansicht eines Querschnitts einer ersten Ausführungsform der ersten und zweiten Aufnahmeeinrichtungen 1 , 2, wobei die Bewegung der zweiten Aufnahmeeinrichtung 2 vereinfacht dargestellt ist. Beide Substrate 3, 4 werden auf identischer Weise von oben beladen. Die Konstruktionsmerkmale der Aufnahmeeinrichtungen 1, 2 wie beispielsweise Substrat- Fixierungselemente 5, Öffnungen für Ladestifte 6 und weitere Oberflächen- Merkmale der Aufnahmeeinrichtungen 7 werden symmetrisch ausgeführt, sodass nach Drehung der zweiten Aufnahmeeinrichtung die erste Aufnahmeeinrichtung 1 und die zweite Aufnahmeeinrichtung 2 gegenüber und spiegelsymmetrisch vorliegen.
Die Fixierungselemente 5 dienen zur Fixierung der Substrate 3, 4 an der Aufnahmeeinrichtung 1 , 2. Die Substrate 3, 4 werden in einer besonders bevorzugten Ausführungsform elektrostatisch fixiert.
Figur 1 b zeigt eine Aufsicht auf die erste und zweite Aufnahmeeinrichtung 1 , 2 einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß Figur l a.
Beide Substrate 3, 4 werden auf identischer Weise von oben beladen. Alle Merkmale 5, 6, 7 der Aufnahmeeinrichtungen 1 , 2, die direkt oder indirekt einen Einfluss auf die Substratform haben können, werden für den ersten Substrat 3 und für den zweiten Substrat 4 symmetrisch ausgeführt, sodass das erste und das zweite Substrat 3, 4 vor dem Bonden identische, von der Aufnahmeeinrichtung bedingte, Spannungsmuster zeigen. Zu diesen Merkmalen zählen insbesondere Substrat-Fixierungselemente 5, Öffnungen für Ladestifte 6 und weitere Oberflächen-Merkmale der Aufnahmeeinrichtungen 7 wie beispielsweise Öffnungen für Messeinrichtungen, Sensoren oder Leitungen.
Entscheidend für die Vorrichtung ist die Beladung beider Substrate 3, 4 in symmetrischer Orientierung bei identem Schwerkrafteinfluss auf der ersten Aufnahmeeinrichtung 1 und auf der zweiten Aufnahmeeinrichtung 2. Beide Substrate 3, 4 werden von oben auf der j eweiligen Aufnahmeeinrichtung beladen (Beladungs-Position, Beladungszustand).
Dabei wird mindestens eine der Aufnahmeeinrichtungen 1 , 2 schwenkbar gelagert, sodass nach der Beladung der Substrate 3, 4 die zu bondende Substratoberflächen einander gegenüber gebracht werden in einer Bond- Position.
Figur 2a zeigt eine Aufsicht auf die erste und zweite Aufnahmeeinrichtung 1 , 2 einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung mit einer ersten Schwenkachse A-A. In dieser ersten Ausführungsform gemäß Figur 2a wird eine zweite Aufnahmeeinrichtung 2 relativ zu einer ersten Aufnahmeeinrichtung 1 bewegt durch eine Rotationsbewegung über ein Schwenkgelenk (10, nicht dargestellt) mit der Schwenkachse A-A.
Ladestifte und deren Öffnungen 6 in den Halteflächen der Aufnahmeeinrichtungen 1 , 2 werden symmetrisch auf dem gleichen Radius angeordnet auf beide Aufnahmeeinrichtungen 1 , 2.
Figur 2b zeigt eine Aufsicht auf die erste und zweite Aufnahmeeinrichtung 1 , 2 einer zweiten Ausführungsform einer Vorrichtung mit einer zweiten Drehachse B-B.
Zum Bonden wird nun entweder eine Aufnahmeeinrichtung mit Substrat um 180° kopfstehend geschwenkt werden (Achse A-A oder B-B), oder beide Aufnahmeeinrichtungen mit Substrat um 90° zueinander gedreht werden, sodass sie sich auch symmetrisch treffen. Wird eine Aufnahmeeinrichtung mit Substrat um 180° kopfstehend geschwenkt, ist eine rotatorische Bewegung oder eine Kombination aus rotatorisch-translatorische Bewegung denkbar. Die Aufnahmeeinrichtungen 1 , 2 können um eine beliebige Achse rotiert werden. Die Drehung der Aufnahmeeinrichtung mit Substrat um 180° kann somit um eine Spiegelachse in der X-Y-Ebene der Aufnahmeeinrichtung stattfinden oder als Rotationsbewegung über ein Schwenkgelenk. Figuren 3a bis 3c zeigen eine Querschnittsansicht einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung mit mechanisch ausgeführtem Scharnier 10 in der Symmetrieachse beziehungsweise in der Schwenkachse A-A. Zunächst sind die beiden Kammerabschnitte 12, 13, wie in Figuren 3a bis 3c gezeigt, geöffnet. In einem ersten Prozessschritt gemäß Figur 3a befinden sich die Ladestifte 8 der ersten und zweiten Aufnahmeeinrichtung 1 , 2 in der Beladungsposition. In einem zweiten Prozessschritt gemäß Figur 3b werden das erste Substrat 3 und das zweite Substrat 4 auf die Ladestifte 8 der Aufnahmeeinrichtungen 1 , 2 beladen. Die Beladung der beiden Substrate 3, 4 wird mit identem Schwerkrafteinfluss d.h. beide von oben, durchgeführt. Die Rückseite der Substrate 3, 4 wird mit Ladstifte 8 auf die Haltefläche der Aufnahmeeinrichtung 1 , 2 gebracht und durch elektrostatische Kräfte fixiert. Dabei werden die Substrate 3, 4 mit hoher Positioniergenauigkeit und mit hoher Haltekraft fixiert. Die Elektroden sind vorzugsweise in der Aufnahmeeinrichtung 1 , 2 eingebettet und können unipolar oder bipolar ausgeführt werden. Die Ausführung der Elektroden ist symmetrisch bezüglich der Achse der beiden Substrate 3, 4.
Die Aufnahmeeinrichtungen beziehungsweise Substrathalter 1 , 2 werden derart positioniert und beladen, dass beide Substrate 3, 4 vor der Kontaktierung bzw. vor dem Bonden auf identischer Weise auf symmetrisch aufgebaute Aufnahmeeinrichtungen 1 , 2 aufgenommen werden, sodass die Substrate mit j eweils korrespondierenden Zonen mit Stressmuster 9 kontaktiert und gebondet werden. Die Bereiche mit Stressmuster 9 entstehen beispielsweise durch die Kontakte mit Ladestifte 8 und durch die Verformungen der Wafer zwischen den Ladestiften 8 durch die Gravitation.
In einem dritten Prozessschritt gemäß Figur 3c werden das erste Substrat 3 und das zweite Substrat 4 auf den Aufnahmeeinrichtungen aufgenommen und mit Fixierungsmittel 5 fixiert. Wenn das Substrat 3, 4 nur auf die Ladestifte 8 aufliegt wie in Figur 4 gezeigt, dann bewirkt die Gravitation eine Veränderung gegenüber einer flachen Oberfläche, wobei die korrespondierenden Bereiche des ersten und des zweiten Substrats mit Spannungsmuster aufgrund der Beladung der Substrate auf den symmetrisch ausgeführten Ladestiften in der offenen Schwenkvorrichtung hervorgehoben werden. Diese Veränderung in den Kontakt-Bereichen 9 ist für beide Substrate 3, 4 in der Bondvorrichtung 11 symmetrisch, sodass beim Bonden bzw. nach dem Bonden sich j eweils korrespondierende Stressmuster in übereinander liegende Bereiche 9‘ befinden. Identische Stressmuster sind also im Substratstapel symmetrisch um das Bondinterface vorhanden.
Dabei wird mindestens eine der Aufnahmeeinrichtungen 1 , 2 schwenkbar gelagert. Eine Möglichkeit, den zweiten Kammerabschnitt 13 relativ zu dem ersten Kammerabschnitt 12 zu bewegen, besteht darin, eine Rotationsbewegung zwischen den Kammerabschnitten 12, 13 über ein Schwenkgelenk 10 gemäß Figur 5b auszuführen.
Figuren 5a bis 5f zeigen die Prozessschritte in einer ersten Ausführungsform der Vorrichtung und des Verfahrens zum Bonden 11 , bevorzugt Permanentbonden, insbesondere Fusionsbonden, eines ersten Substrats 3 mit einem zweiten Substrat 4, aufweisend: a) eine Bondkammer 1 1 bestehend aus einem ersten Kammerabschnitt 12 und einem zweiten Kammerabschnitt 13, b) Aufnahmeeinrichtungen 1 , 2 zur Aufnahme und Fixierung der Substrate 3, 4, wobei die Aufnahmeeinrichtungen 1 , 2 zur Annäherung und zur Kontaktierung der Substrate ausgebildet sind.
Zunächst sind die beiden Kammerabschnitte 12, 13, wie in Fig. 5a gezeigt, geöffnet und die Substrate 3, 4 elektrostatisch fixiert. Dabei werden in elektrostatische Aufnahmeeinrichtungen Elektroden zur Erzeugung einer elektrostatischen Haltekraft zur Fixierung des Substrats eingesetzt. Die ultraflachen elektrostatischen Aufnahmeeinrichtungen 1 , 2 besitzen eine besonders eben ausgeführte Haltefläche, um das Substrat 3, 4 elektrostatisch anzudrücken und das hochstabile Halten zu gewährleisten. Die elektrostatische Anziehung bewirkt eine gleichmäßige Verteilung der Haltekräfte über die gesamte Fläche. Die Ebenheit der Aufnahmeeinrichtung 1 , 2 ist besser als die Dickenvariation und Nanotopografie der Substrate 3, 4. Dabei können die Substrate 3, 4 durch Vorprozessschritte bereits mechanische Spannungen aufweisen, die im nicht fixierten Zustand eine Verformung verursachen könnte.
Nach dem Beladen und Fixieren der Substrate 3, 4 erfolgt das Schließen der Bondkammer 1 1 gemäß der Ausführungsform aus Figur 5b durch Verschwenken des zweiten Kammerabschnitts 13 um das Schwenkgelenk 10. Hierzu kann ein nicht dargestellter motorischer Antrieb vorgesehen sein.
Nach dem Verschwenken des zweiten Kammerabschnitts 13 liegt gemäß Figur 5c die Umfangswand 12u des ersten Kammerabschnitts 12 auf der Umfangswand 13u des zweiten Kammerabschnitts 13 auf. Die Abdichtung erfolgt über die Ringdichtung 14 auf der Oberseite der Umfangswand 12u des ersten Kammerabschnitts 12.
Die Bondvorrichtung 11 kann vorteilhaft im Vakuum oder auch bei Umgebungsdruck unter Inertgas betrieben werden. Die Substrate 3, 4 werden zuerst hochgenau j ustiert für eine exakte Ausrichtung und werden während eines Evakuierungsvorgangs gemäß Figur 5c in Separation gehalten. Vorzugsweise erfolgt die Ausrichtung durch Ausrichtungsanlagen und anhand von Ausrichtungsmarken. Die Justierung und Annäherung sind dem Fachmann bekannt und werden nicht näher beschrieben.
Nach der Ausrichtung der beiden Substrate erfolgt insbesondere eine Kontaktierung. Im nächsten Prozessschritt gemäß Figur 5d wird das zweite, obere Substrat 4 mit der Aufnahmeeinrichtung 2 zum Bonden innerhalb der Bondkammer 1 1 translatorisch auf den ersten, unteren Substrat 3 mit einer Bewegungseinrichtung 15 und Abstandsveränderungsmittel 16 bewegt. Annäherung und Justierung werden kontrolliert durchgeführt. Um die Bewegung des zweiten, oberen Substrats 4 exakt steuern zu können, ist in Ausgestaltung der Vorrichtung mindestens eine Messeinrichtung zur Messung der Position des zweiten, oberen Substrats 4 bevorzugt.
Bei dem Bondverfahren gemäß Figuren 5a bis 5f werden die Substrate 3, 4 plan aufeinandergelegt. Für Strukturen im nm-Bereich und exaktes Overlay ist eine Reproduzierbarkeit der Ebenheit der zu bondende Substrate 3, 4 sehr wichtig. Die Haltekraft der ultraflachen elektrostatischen Aufnahmeeinrichtungen 1 , 2 mit einer besonders eben ausgeführten Haltefläche ermöglicht eine konforme Planarisierung der Substrate 3, 4.
In einer ersten bevorzugten Ausführungsform bleiben nach der Kontaktierung beide Substrate 3, 4 j eweils an der ersten und zweiten Aufnahmeeinrichtung 1 , 2 während dem Bonden fixiert. Verbleiben beide Substrate 3, 4 an der jeweiligen Aufnahmeeinrichtung 1 , 2 während dem Bonden fixiert, haben Dickenvariation (TTV, engl. total thickness variation) und Stressmuster der Substrate 3, 4 einen geringen Einfluss auf das Bondergebnis. Dabei wird eine parallele, spontane (1 : 1) Verbindung der beiden an der Aufnahmeeinrichtung fixierten Substrate 3, 4 erreicht, wobei keine Deformation der Substrate 3, 4 an der Bondfront stattfindet.
In einer zweiten weniger bevorzugten Ausführungsform bleibt nach der Kontaktierung insbesondere das zweite, obere Substrat 4 an der Aufnahmeeinrichtung 2 während dem Bonden fixiert. Verbleibt das zweite, obere Substrat 4 an der Aufnahmeeinrichtung 2 während dem Bonden fixiert, findet eine geringere Deformation des oberen Substrats 2 an der Bondfront statt, wegen der höheren Steifigkeit des fixierten Substrats 2.
Es liegt der Gedanke zugrunde, dass beide Substrate 3, 4 vor der Kontaktierung oder dem Bonden auf identischer Weise auf symmetrisch aufgebaute Aufnahmeeinrichtungen 1 , 2 aufgenommen werden, sodass der Stress am Substrat bedingt durch die Aufnahme und Beladung auf der Aufnahmeeinrichtung 1 , 2 minimiert wird und die Substrate 3, 4 mit j eweils korrespondierenden Spannungsmuster kontaktiert und gebondet werden.
Durch die Fixierung der Substrate 3, 4 während dem Bonden auf den symmetrisch aufgebauten, ultraplanaren elektrostatischen Aufnahmeeinrichtungen 1 , 2 werden Verzerrungen im Bondinterface zusätzlich minimiert.
In einer Ausführungsform werden die Aufnahmeeinrichtungen 1, 2 so ausgebildet, dass das Substrat 3, 4 insbesondere abschnittsweise durch Heizmittel temperiert werden können.
Die Druckbeanspruchung führt zu einer Annäherung der Substratoberflächen an der Grenzschicht entlang der Kontaktfläche.
Die Substrate können vor dem Bonden, insbesondere vor dem Ausrichten, bei Bedarf vorbehandelt werden. Beispiele für eine Vorbehandlung sind eine Plasmabehandlung oder eine Amorphisierung mindestens einer der beiden Substratoberflächen. Bondkammer und Prozesskammer zur Amorphisierung oder Plasmabehandlung können Teil einer (evakuierten) Cluster- Anlage sein.
Figur 5e zeigt einen abgeschlossenen Bondvorgang. Die Substrate 3, 4 sind vollflächig kontaktiert und der Bondvorgang ist abgeschlossen. Nach Abschaltung der oberen Fixierung wird die zweite, obere Aufnahmeeinrichtung 2 innerhalb der Bondkammer 1 1 translatorisch mit einer Bewegungseinrichtung 15 und Abstandsveränderungsmittel 16 zurück in die Position gemäß Figur 5c nach oben verfahren. Der Substratstapel 17 verbleibt auf der ersten, unteren Aufnahmeeinrichtung 1.
Wie in Figur 5f gezeigt, wird die Vorrichtung zum Bonden 1 1 durch eine Rotationsbewegung zwischen den Kammerabschnitten 12, 13 über ein Schwenkgelenk 10 des zweiten Kammerabschnitts 13 wieder geöffnet und der Substratstapel 17 kann nach Freigabe der Fixierung der ersten, unteren Aufnahmeeinrichtung entnommen werden. Ein Loslassen des gebondeten Stapels 17 von den Substrathaltern ermöglicht den Substraten Stress auf der gleichen Art und Weise zu reduzieren. Dieser Relaxationsprozess führt zu einer minimierten Eigenspannung.
Dabei ist mindestens eine der Aufnahmeeinrichtungen 1 , 2 schwenkbar gelagert. Die Aufnahmeeinrichtungen 1 , 2 können dabei um eine beliebige Achse rotiert werden. Die Drehung einer der Aufnahmeeinrichtungen mit Substrat um 180° kann somit nicht nur als Rotationsbewegung über ein Schwenkgelenk gemäß Figuren 5a bis 5c stattfinden, sondern auch als Drehung um eine Spiegelachse in der X-Y-Ebene der Aufnahmeeinrichtung 1, 2 stattfinden.
Eine weitere Möglichkeit besteht darin nach der Drehung, einen Kammerabschnitt translatorisch auf den j eweils anderen Kammerabschnitt zu bzw. von diesem weg zu bewegen. Beispielsweise ist die Bewegung mittels eine Hubzylinders denkbar. Weiterhin können zusätzlich seitliche Führungen vorgesehen werden. Auch ist eine kombinierte rotatorisch-translatorische Bewegung, beispielsweise über eine Viergelenkkinematik, denkbar.
In einer weiteren Ausführungsform gemäß Figuren 6a bis 6c befinden sich beide Aufnahmeeinrichtungen 1 , 2 übereinander, sodass beide Substrate 3, 4 bei identem Schwerkrafteinfluss auf der ersten und auf der zweiten Aufnahmeeinrichtung 1 , 2 beladen werden gemäß Figur 6a. Nach der Fixierung der Substrate 3, 4 wird die zweite, obere Aufnahmeeinrichtung 2 mit fixiertem Substrat 4 um eine eigene Drehachse B-B gemäß Figur 6b kopfüber um 180° gedreht. Nach der Drehung befinden sich beide Aufnahmeeinrichtungen 1 , 2 spiegelsymmetrisch zueinander, sodass alle Merkmale der Aufnahmeeinrichtungen 1 , 2 wie beispielsweise die Fixierungselemente 5, die Öffnungen für Ladestifte 6, und weitere Oberflächen-Merkmale 7 symmetrisch positioniert sind.
In einer weiteren Ausführungsform gemäß Figuren 7a bis 7c befinden sich beide Aufnahmeeinrichtungen 1 , 2 nebeneinander sodass auch in dieser Ausführungsform beide Substrate 3, 4 bei identem Schwerkrafteinfluss auf der ersten und auf der zweiten Aufnahmeeinrichtung 1 , 2 beladen werden gemäß Figur 7a. Dabei wird eine Kombination aus rotatorisch-translatorische Bewegung durchgeführt sodass sich die erste und die zweite Aufnahmeeinrichtung 1 , 2 symmetrisch treffen. Die zwei Aufnahmeeinrichtungen 1 , 2 können um eine beliebige Achse rotiert werden und dann durch X/Y/Z-Translation (und Rotation) in eine j ustierte, symmetrische Lage gebracht werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass das Substrat und/oder die Aufnahmeeinrichtung 1 , 2 in mindestens drei Freiheitsgraden beweglich ist, bevorzugt in mindestens vier Freiheitsgraden, bevorzugter in mindestens fünf Freiheitsgraden, am bevorzugtesten in allen sechs Freiheitsgraden. Dies ermöglicht eine verbesserte Beweglichkeit des Substrats und/oder der Aufnahmeeinrichtung.
In einer weiteren Ausführungsform gemäß Figuren 8a und 8b befinden sich beide Aufnahmeeinrichtungen 1 , 2 nebeneinander sodass auch in dieser Ausführungsform beide Substrate 3, 4 bei identem Schwerkrafteinfluss auf der ersten und auf der zweiten Aufnahmeeinrichtung 1 , 2 beladen werden gemäß Figur 8a. Zum Bonden werden beide Aufnahmeeinrichtungen 1 , 2 mit Substrat um 90° zueinander gedreht, sodass sie sich auch symmetrisch treffen gemäß Figur 8b. Die rotatorische Bewegung der zweiten Aufnahmeeinrichtung 2 um 90° erfolgt über die Drehachse B-B und die rotatorische Bewegung der ersten Aufnahmeeinrichtung 1 um 90° erfolgt über die Drehachse B ‘-B ‘ . Nach Justierung und Annäherung werden die Substrate 3, 4 in der vertikalen Ebene vollflächig gebondet.
B e z u g s z e i c h e n l i s t e
1 Erste Aufnahmeeinrichtung, erster Substrathalter
2 Zweite Aufnahmeeinrichtung, zweiter Substrathalter
3 Erstes Substrat
4 Zweites Substrat
5 Fixierungselement, erste Fixiermittel, zweite Fixiermittel, Fixiermittel
6 Öffnung für Ladestift
7 Weiteres Merkmal der Aufnahmeeinrichtung
8 Ladestift
9, 9‘ Bereiche mit Entstehung von Stressmuster bei der
Substratbeladung
10 Schwenkgelenk, Schwenkachse
11 Vorrichtung zum Bonden, Bondvorrichtung
12 Erster Kammerabschnitt
13 Zweiter Kammerabschnitt
12u, 13u Umfangswand
14 Ringdichtung
15 Bewegungseinrichtung (Antrieb smittel)
16 Abstandsveränderungs mittel, Annäherungsmittel
17 Substratstapel
A-A Drehachse
B-B, B‘-B‘ Drehachse

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zum Bonden von Substraten mit den folgenden Schritten, insbesondere mit dem folgenden Ablauf: i) Bereitstellung eines ersten Substrats (3) auf einer ersten Substrathalteroberfläche eines ersten Substrathalters (1 ) und eines zweiten Substrats (4) auf einer zweiten Substrathalteroberfläche eines zweiten Substrathalters (2), ii) Fixierung des ersten Substrats (3) an dem ersten Substrathalter (1) und des zweiten Substrats (4) an dem zweiten Substrathalter (2) in einem Beladungszustand, iii) Positionierung des zweiten Substrathalters (2) relativ zu dem ersten (1 ) Substrathalter in eine Bondposition, so dass das erste Substrat (3) und das zweite Substrat (4) mit zu bondenden Oberflächen einander zugewandt sind, iv) Bonden des ersten Substrats (3) mit dem zweiten Substrat (4), wobei in dem Beladungszustand die erste Substrathalteroberfläche und die zweite Substrathalteroberfläche in einem gleichen Winkel relativ zur Erdanziehungskraft angeordnet sind, und wobei in dem Beladungszustand die erste Substrathalteroberfläche und die zweite Substrathalteroberfläche in eine gleiche Richtung relativ zur Erdanziehungskraft ausgerichtet sind und wobei bei der Fixierung des ersten Substrats (3) und des zweiten Substrats (4) j eweils identische Haltekräfte auf das erste Substrat (3) und auf das zweite Substrat (4) ausgeübt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in dem Beladungszustand das erste Substrat (3) auf der ersten Substrathalteroberfläche und das zweite Substrat (4) auf der zweiten Substrathalteroberfläche aufliegen.
3. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Winkel ein senkrechter Winkel ist.
4. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei der Fixierung in dem Beladungszustand die identischen Haltekräfte jeweils in einem zueinander korrespondierenden Muster an dem ersten Substrat (3) und dem zweiten Substrat (4) bereitgestellt werden, so dass in der Bondposition das Muster der Haltekräfte fluchtet.
5. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Fixierung des ersten Substrates (3) und des zweiten Substrates (4) zeitgleich und innerhalb des gleichen Zeitraums erfolgt.
6. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Positionierung ein Schwenken des zweiten Substrathalters (2) um 180° umfasst.
7. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei die Positionierung ein Schwenken des ersten Substrathalters (1) und des zweiten Substrathalters (2) um j eweils 90° aufeinander zu umfasst.
8. Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die identischen Haltekräfte, während dem Boden aufrechterhalten werden.
9. Vorrichtung zum Bonden (1 1) von Substraten (3, 4), zumindest aufweisend: a) einen ersten Substrathalter (1) mit einer ersten Substrathalter Oberfläche, al) erste Fixiermittel (5) zum Fixieren eines ersten Substrates (3) an der ersten Substrathalteroberfläche, b) einen zweiten Substrathalter (2) mit einer zweiten Substrathalter Oberfläche, bl) zweite Fixiermittel (5) zum Fixieren eines zweiten Substrates (4) an der zweiten Substrathalteroberfläche, c) Positionierungsmittel (10, 15, 16) zum Positionieren des zweiten Substrathalters (2) relativ zu dem ersten Substrathalter (1 ), wobei die Vorrichtung (11 ) in einen Beladungszustand überführbar ist, in welchem die erste Substrathalteroberfläche und die zweite
Substrathalteroberfläche relativ zur Erdanziehungskraft in dem gleichen Winkel angeordnet sind, und wobei in dem Beladungszustand die erste Substrathalteroberfläche und die zweite Substrathalteroberfläche in eine gleiche Richtung relativ zur Erdanziehungskraft ausgerichtet sind und wobei die ersten Fixiermittel (5) und die zweiten Fixiermittel (5) dazu eingerichtet sind in dem Beladungszustand j eweils identische Haltekräfte zur Fixierung bereitzustellen.
10. Vorrichtung (11 ) nach Anspruch 9, wobei die Vorrichtung (1 1) dazu eingerichtet ist, dass in dem Beladungszustand die erste Substrathalteroberfläche und die zweite Substrathalteroberfläche parallel nebeneinander versetzt angeordnet sind.
11. Vorrichtung (11 ) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Substrathalter aus dem Beladungszustand in eine Bondposition schwenkbar ist.
12. Vorrichtung (11 ) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Positionierungsmittel ein Schwenkgelenk (10) umfassen.
13. Vorrichtung (11 ) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten Fixiermittel (5) und die zweiten Fixiermittel (5) elektrostatische Fixiermittel (5) sind.
14. Vorrichtung (11 ) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Bondposition der erste Substrathalter (1) und der zweite Substrathalter (2) eine Bondkammer, vorzugsweise eine fluidisch dichte Bondkammer, ausbilden.
15. Vorrichtung (11 ) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten Fixiermittel (5) und die zweiten Fixiermittel (5) dazu eingerichtet sind die identischen Haltekräfte zumindest bis zur Überführung in die Bondposition bereitzustellen.
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