JP2007194347A - Laminating device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数枚の半導体基板を貼り合わせる装置に関し、特に貼り合わせ法によるSOI構造の半導体装置の貼り合わせ時に用いられる半導体基板貼り合わせ装置に関する。 The present invention relates to an apparatus for bonding a plurality of semiconductor substrates, and more particularly to a semiconductor substrate bonding apparatus used when bonding semiconductor devices having an SOI structure by a bonding method.
半導体製造プロセスでは、貼り合わせ手法を用いてSOI基板を作製する技術が知られている(例えば、特許文献1参照。)。この技術は、多孔質シリコン上に成長させたシリコンエピタキシャル層を、酸化膜を介して非晶質基板又は単結晶シリコン基板にはり合せる、ウェーハ直接貼り合わせ技術を応用したものである。 In a semiconductor manufacturing process, a technique for manufacturing an SOI substrate by using a bonding method is known (for example, see Patent Document 1). This technique applies a direct wafer bonding technique in which a silicon epitaxial layer grown on porous silicon is bonded to an amorphous substrate or a single crystal silicon substrate via an oxide film.
貼り合わせ装置としては、特許文献1が開示されている。 As a bonding apparatus, Patent Document 1 is disclosed.
貼り合わせは、ごく狭い間隔を隔てて鏡面を対向させ、気体を挟んで略水平に保った2枚の基板のうち、いずれか1点を加圧して接触させ、そこを起点として全面を接合させる。一般に、接合領域が拡大する状態をコンタクトウエーブと呼び、その進行速度をコンタクトウエーブ速度と呼ぶ。コンタクトウエーブ速度は、貼り合わせをする際の雰囲気の粘性や、気圧によって変化することが文献に開示されている。(非特許文献1を参照)
前記コンタクトウエーブ速度は貼り合わせ強度に依存し、強度が高いほど速い傾向がある。貼り合わせ強度はウェーハ表面の状態に依存し、一般的には、結露しない範囲において水分吸着量が多い程、貼り合わせ強度が高い。また、有機物汚染などが付着すると貼り合わせ強度は低下する。
The contact wave speed depends on the bonding strength, and the higher the strength, the higher the tendency. The bonding strength depends on the state of the wafer surface. In general, the larger the moisture adsorption amount in the non-condensing range, the higher the bonding strength. Moreover, when organic substance contamination etc. adhere, bonding strength will fall.
前記方法でウェーハ貼り合わせを行う場合、ウェーハ外周部の、端から3〜5mmの範囲に、0.1〜1mmφ程度の微細なボイドが多発し、不良となる。貼り合わせ開始点がウェーハの外周部であった場合、ウェーハ中心に対して開始点の逆側のエッジ近傍にボイドが発生する傾向がある(図1)。また、ウェーハ中央から貼り合わせを開始した場合、ほぼ全周に発生する傾向がある。 When wafer bonding is performed by the above method, fine voids of about 0.1 to 1 mmφ frequently occur in the range of 3 to 5 mm from the edge of the outer periphery of the wafer, resulting in a defect. When the bonding start point is at the outer periphery of the wafer, voids tend to occur near the edge opposite to the start point with respect to the wafer center (FIG. 1). Further, when bonding is started from the center of the wafer, it tends to occur almost all around.
我々が鋭意調査した結果、コンタクトウエーブ速度が50mm/秒を越えた場合にボイドが発生することを明らかにした(図2)。一般に、例えば貼り合わせをウェーハ中央から開始した場合、コンタクトウエーブ速度は最外周5mm近傍から急激に加速する。その領域とボイドの発生領域は合致する。従って、コンタクトウエーブ速度を常に50mm/秒以下にすることが、周辺ボイドを発生させない方法である。そのためには、特に貼り合わせの後半においてコンタクトウエーブ速度を遅くさせることが有効である。 As a result of our intensive investigations, it was clarified that voids occur when the contact wave speed exceeds 50 mm / sec (Fig. 2). In general, for example, when bonding is started from the center of the wafer, the contact wave speed is rapidly accelerated from the vicinity of the outermost periphery of 5 mm. That area coincides with the void generation area. Therefore, the contact wave speed is always set to 50 mm / second or less in order to prevent generation of peripheral voids. For this purpose, it is effective to reduce the contact wave speed particularly in the latter half of the bonding.
一方、コンタクトウエーブ速度は貼り合わせ強度が低いほど小さくなるため、ウェーハ全体の貼り合わせ強度を低くさせること等でコンタクトウエーブ速度を下げれば、ウェーハ外周部のボイド発生はなくなる。しかしその場合、最外周のコンタクトウエーブ速度を落とすために、貼り合わせ開始点付近のコンタクトウエーブは極端に遅くなってしまう。極端に遅い貼り合わせは、事実上ウェーハ全面が同時に接合することと同じく、複数の場所から同時に貼り合わせが開始してしまい、結果、ウェーハ全面にボイドができる。また、極端にコンタクトウエーブ速度が遅ければ、生産に要する時間が長くなり、コスト的に不利益となることは言うまでも無く、その意味でもコンタクトウエーブ速度は極端に遅くないことが望ましい。 On the other hand, the contact wave speed becomes smaller as the bonding strength becomes lower. Therefore, if the contact wave speed is lowered by lowering the bonding strength of the whole wafer or the like, voids are not generated on the outer periphery of the wafer. In that case, however, the contact wave near the bonding start point becomes extremely slow in order to reduce the outermost contact wave speed. In the case of extremely slow bonding, bonding is started simultaneously from a plurality of locations, as is practically the case where the entire wafer surface is bonded at the same time. As a result, voids are formed on the entire wafer surface. In addition, if the contact wave speed is extremely slow, it takes a long time for production, which is disadvantageous in terms of cost. In that sense, it is desirable that the contact wave speed is not extremely slow.
その他、コンタクトウエーブ速度は前記貼り合わせ強度に依存し、その貼り合わせ強度は微妙な擾乱に敏感である。そのため生産において、常にコンタクトウエーブ速度をモニターし、適正な速さに保つことは有益である。本発明は、上記の知見に鑑み、貼り合わせの進行に合わせて貼り合わせの進行速度を制御する機能を有する貼り合わせ装置で、該進行速度制御方法が雰囲気の制御である貼り合わせ装置、または、貼り合わせにおいてコンタクトウエーブ速度をモニターする機能と、それに応じてコンタクトウエーブ速度を調節する機能を併せ持つ貼り合わせ装置を提供するものである。 In addition, the contact wave speed depends on the bonding strength, and the bonding strength is sensitive to subtle disturbances. Therefore, in production, it is beneficial to always monitor the contact wave speed and keep it at an appropriate speed. In view of the above knowledge, the present invention is a bonding apparatus having a function of controlling the progress speed of bonding in accordance with the progress of bonding, and the bonding apparatus whose progress speed control method is atmosphere control, or It is an object of the present invention to provide a bonding apparatus that has both a function of monitoring a contact wave speed in bonding and a function of adjusting the contact wave speed accordingly.
また、前記進行速度検知機能は非接触の高さ計によることができる。具体的にはレーザー変位計や、オプティカルフラット面との間の干渉を利用する方法である。 Further, the traveling speed detection function can be performed by a non-contact height meter. Specifically, it is a method using a laser displacement meter or interference with an optical flat surface.
また、前記進行速度検知機能は貼り合わせ対象に対して透過性を有する波長の光を用いた画像解析によることができる。例えばシリコン同士の貼り合わせの場合、波長1100nm程度の近赤外線を用いてコンタクトウエーブを観察することができ、一般には、貼り合わさった部分は貼り合わさっていない部分よりも輝度が高く見える。このようにして、コンタクトウエーブの進行を観察することができる。また、例えば石英などの可視光線に対して透明な部材同士の貼り合わせであれば、ギャップに合せて干渉縞が現れるため、コンタクトウエーブの進行を直接目視で確認することもできるし、通常のビデオカメラで撮影することも可能である。 The traveling speed detection function can be based on image analysis using light having a wavelength that is transparent to the object to be bonded. For example, in the case of bonding silicon, the contact wave can be observed using near infrared light having a wavelength of about 1100 nm. Generally, the bonded portion looks higher in luminance than the unbonded portion. In this way, the progress of the contact wave can be observed. In addition, for example, when pasting members that are transparent to visible light such as quartz, interference fringes appear along the gap, so that the progress of the contact wave can be confirmed directly by visual observation. It is also possible to shoot with a camera.
コンタクトウエーブの進行速度は、貼り合わせ環境の気圧を上げるか、または雰囲気の粘性を高めることで、遅くできることが前記文献に開示されている。この知見を元に、進行速度は貼り合わせ環境の気圧を制御することにより、または貼り合わせ環境の雰囲気の種類を制御することにより制御することができる。雰囲気の粘性はガスの種類によって異なる。 It is disclosed in the above document that the traveling speed of the contact wave can be slowed by increasing the pressure of the bonding environment or increasing the viscosity of the atmosphere. Based on this knowledge, the traveling speed can be controlled by controlling the pressure of the bonding environment or by controlling the type of atmosphere in the bonding environment. The viscosity of the atmosphere varies depending on the type of gas.
以上の機能により、コンタクトウエーブ速度を0.1mm/秒以上50mm/秒以下に保つことで、ボイドの発生を防ぐことができる。 With the above function, the generation of voids can be prevented by maintaining the contact wave speed at 0.1 mm / second or more and 50 mm / second or less.
なお、ボイドの発生するコンタクトウエーブ速度は今回実験した中では0.1mm/秒以上50mm/秒以上であったが、貼り合わせる部材が異なればこの数値は変動し得る。例えば基板を構成する材料の種類や、表面の平坦性、基板の厚さなどによって変化し得る。本発明の装置は、設定する狙い速度を変えればそのような状況にも対応し得るものであり、必ずしも0.1mm/秒以上50mm/秒に限定するものではない。 The contact wave speed at which voids were generated was 0.1 mm / second or more and 50 mm / second or more in this experiment, but this value may vary if the members to be bonded are different. For example, it may vary depending on the type of material constituting the substrate, the flatness of the surface, the thickness of the substrate, and the like. The apparatus of the present invention can cope with such a situation by changing the target speed to be set, and is not necessarily limited to 0.1 mm / second or more and 50 mm / second.
本発明によれば、貼り合わせ法によるSOI構造の半導体装置の貼り合わせ時に用いられる半導体基板貼り合わせ装置において、貼りあわせ基板の周辺部にボイドが発生するのを防ぎ、SOI基板からのデバイスの取れ数を向上できる。 According to the present invention, in a semiconductor substrate bonding apparatus used when bonding a semiconductor device having an SOI structure by the bonding method, it is possible to prevent voids from occurring in the peripheral portion of the bonded substrate and to remove a device from the SOI substrate. The number can be improved.
次に、本発明の詳細を実施例の記述に従って説明する。 Next, details of the present invention will be described in accordance with the description of the embodiments.
直径200mm,厚さ725μmのシリコンウェーハ2枚を室温で貼り合わせる装置である。貼り合わせを行う場所は気密構造にしておき、圧力計とポンプを接続する。まず1気圧で、2枚のウェーハを略水平に保った状態でウェーハの端部を上から押し、コンタクトウエーブを開始させる。コンタクトウエーブの速度は、貼り合わせ開始時点では22mm/秒でほぼ一定であるが、端の5mm近傍では60mm/秒に加速する。そこで、貼り合わせ開始から8秒後に気圧を上げ、コンタクトウエーブ速度vcwを下げる。例えば文献のグラフによれば、大気圧近傍において、vcwは気圧Xに対して、x-0.2に比例している。従って、例えば1気圧においてコンタクトウエーブ速度が60mm/秒であれば、2.5気圧では50mm/秒になり、7気圧では40mm/秒になる。このようにしてコンタクトウエーブ速度を調節することで、全面でボイドの無い貼り合わせを実現できる。 This is an apparatus for bonding two silicon wafers with a diameter of 200 mm and a thickness of 725 μm at room temperature. The place where the bonding is performed is an airtight structure, and a pressure gauge and a pump are connected. First, the edge of the wafer is pushed from the top while keeping the two wafers substantially horizontal at 1 atmosphere, and the contact wave is started. The contact wave speed is almost constant at 22 mm / sec at the start of bonding, but accelerates to 60 mm / sec near 5 mm at the end. Therefore, raising the pressure to 8 seconds after the start of bonded, reducing the contact wave velocity v cw. For example, according to the graphs in the literature, near the atmospheric pressure, v cw is proportional to x −0.2 with respect to the atmospheric pressure X. Therefore, for example, if the contact wave speed is 60 mm / sec at 1 atm, the pressure is 50 mm / sec at 2.5 atm and 40 mm / sec at 7 atm. By adjusting the contact wave speed in this way, it is possible to realize bonding without voids on the entire surface.
直径200mm,厚さ725μmのシリコンウェーハ2枚を室温で貼り合わせる装置である(図3)。下側ウェーハを石英のステージに真空チャックし、その下からIR光(波長1100nm近傍の光)を照射し、上からIR光に対して感度のあるカメラで観察する。貼り合わせを行う場所は気密構造にしておき、圧力計とポンプを接続する。この環境下で、2枚のウェーハを略水平に保った状態でウェーハの端部を上から押し、コンタクトウエーブを開始させる。コンタクトウエーブの進行はIRカメラでモニターされる。ウェーハの中央部のコントラストに注目して、輝度が一定以上になった時点を、コンタクトウエーブがウェーハ中央を通過した時刻とみなし、コンタクトウエーブ速度を算出する。ウェーハ端部からその時刻t0で貼り合わせを開始し、コンタクトウエーブがウェーハ中央を通過した時刻をt1とすると、コンタクトウエーブ速度vcwは、vcw=100/(t1‐t0) [mm/sec]であらわされる。一般的に、ボイドが発生するのはコンタクトウエーブが半分を超えてからであるため、この時点ではボイドは無い。中央以後の貼り合わせでは、コンタクトウエーブ速度が50mm/秒を越えるとボイドになるので、ポンプを作動させ、前記文献に沿った比率で気圧を上げることで、コンタクトウエーブ速度を落とす。例えば文献のグラフによれば、大気圧近傍において、vcwは気圧Xに対して、x-0.2に比例している。従って、例えば1気圧においてコンタクトウエーブ速度が60mm/秒であれば、2.5気圧では50mm/秒になり、7気圧では40mm/秒になる。このようにしてコンタクトウエーブ速度を調節する。 This is an apparatus for bonding two silicon wafers with a diameter of 200 mm and a thickness of 725 μm at room temperature (FIG. 3). The lower wafer is vacuum chucked on a quartz stage, irradiated with IR light (light near 1100 nm wavelength) from below, and observed from above with a camera sensitive to IR light. The place where the bonding is performed is an airtight structure, and a pressure gauge and a pump are connected. Under this environment, the edge of the wafer is pushed from the top with the two wafers kept substantially horizontal to start the contact wave. The progress of the contact wave is monitored with an IR camera. Focusing on the contrast at the center of the wafer, the time when the brightness becomes a certain level or more is regarded as the time when the contact wave passes through the center of the wafer, and the contact wave speed is calculated. Bonding starts from the end of the wafer at time t0, and when the time when the contact wave passes through the center of the wafer is t1, the contact wave speed v cw is v cw = 100 / (t1−t0) [mm / sec] It is expressed. In general, voids are generated after the contact wave exceeds half, so there are no voids at this point. When the contact wave speed exceeds 50 mm / sec in the pasting after the center, a void is formed. Therefore, the pump is operated and the air pressure is increased at a rate in accordance with the above-mentioned literature, thereby reducing the contact wave speed. For example, according to the graphs in the literature, near the atmospheric pressure, v cw is proportional to x −0.2 with respect to the atmospheric pressure X. Thus, for example, if the contact wave speed is 60 mm / second at 1 atmosphere, the pressure is 50 mm / second at 2.5 atmospheres and 40 mm / second at 7 atmospheres. In this way, the contact wave speed is adjusted.
直径200mm,厚さ725μmのシリコンウェーハ2枚を室温で貼り合わせる装置である(図4)。下側ウェーハをステージに真空チャックし、その上からレーザ変位計によって上側ウェーハの高さを測定する。貼り合わせを行う場所は気密構造にしておき、圧力計とポンプを接続する。この環境下で、2枚のウェーハを略水平に保った状態でウェーハの端部を上から押し、コンタクトウエーブを開始させる。コンタクトウエーブの進行はレーザ変位計でモニターされる。ウェーハの中央部の高さ注目して、高さが一定以下になった時点を、コンタクトウエーブがウェーハ中央を通過した時刻とみなし、コンタクトウエーブ速度を算出する。ウェーハ端部からその時刻t0で貼り合わせを開始し、コンタクトウエーブがウェーハ中央を通過した時刻をt1とすると、コンタクトウエーブ速度vcwは、vcw=100/(t1‐t0) [mm/sec]であらわされる。一般的に、ボイドが発生するのはコンタクトウエーブが半分を超えてからであるため、この時点ではボイドは無い。中央以後の貼り合わせでは、コンタクトウエーブ速度が50mm/秒を越えるとボイドになるので、ポンプを作動させ、前記文献に沿った比率で気圧を上げることで、コンタクトウエーブ速度を落とす。例えば文献のグラフによれば、大気圧近傍において、vcwは気圧Xに対して、x-0.2に比例している。従って、例えば1気圧においてコンタクトウエーブ速度が60mm/秒であれば、2.5気圧では50mm/秒になり、7気圧では40mm/秒になる。このようにしてコンタクトウエーブ速度を調節する。 This is an apparatus for bonding two silicon wafers with a diameter of 200 mm and a thickness of 725 μm at room temperature (FIG. 4). The lower wafer is vacuum chucked on the stage, and the height of the upper wafer is measured by a laser displacement meter from above. The place where the bonding is performed is an airtight structure, and a pressure gauge and a pump are connected. Under this environment, the edge of the wafer is pushed from the top with the two wafers kept substantially horizontal to start the contact wave. The progress of the contact wave is monitored with a laser displacement meter. Paying attention to the height of the central portion of the wafer, the time when the height falls below a certain level is regarded as the time when the contact wave passes through the center of the wafer, and the contact wave speed is calculated. Bonding starts from the end of the wafer at time t0, and when the time when the contact wave passes through the center of the wafer is t1, the contact wave speed v cw is v cw = 100 / (t1−t0) [mm / sec] It is expressed. In general, voids are generated after the contact wave exceeds half, so there are no voids at this point. When the contact wave speed exceeds 50 mm / sec in the pasting after the center, a void is formed. Therefore, the pump is operated and the air pressure is increased at a rate in accordance with the above-mentioned literature, thereby reducing the contact wave speed. For example, according to the graphs in the literature, near the atmospheric pressure, v cw is proportional to x −0.2 with respect to the atmospheric pressure X. Therefore, for example, if the contact wave speed is 60 mm / sec at 1 atm, the pressure is 50 mm / sec at 2.5 atm and 40 mm / sec at 7 atm. In this way, the contact wave speed is adjusted.
また、同文献によれば、vcwは雰囲気の粘性の逆数x[μP]が大きくなるほど速くなることが開示されている。その関係は、文献においてはvcw[cm/s]=Ax+B(A,Bは定数)の形である。化学便覧(丸善)によれば、25℃1気圧の空気の粘性は18.20μPa秒なので(1μPa秒=10μPの関係)、空気中でコンタクトウエーブ速度が55cm/秒であった場合、雰囲気にNeガス(29.50μPa秒)を用いれば、49cm/秒になる。このように、雰囲気を選ぶことでコンタクトウエーブ速度を制御することもできる。 Further, according to the same document, it is disclosed that v cw becomes faster as the reciprocal x [μP] of the viscosity of the atmosphere increases. In the literature, the relationship is v cw [cm / s] = Ax + B (A and B are constants). According to the Chemical Handbook (Maruzen), the viscosity of air at 25 ° C and 1 atm is 18.20μPa seconds (1μPa seconds = 10μP relationship), so if the contact wave speed is 55cm / second in air, Ne gas is used in the atmosphere. If (29.50 μPa second) is used, it becomes 49 cm / second. Thus, the contact wave speed can be controlled by selecting the atmosphere.
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