JP2014519700A - 二枚のウェーハを接合するための方法及びデバイス - Google Patents

Abstract

本発明は、ウェーハ（２、３）をそれらウェーハ（２、３）の一つの接合面Ｖにおいて接合するためのデバイスに関し、圧力面Ｄにおいてウェーハ（２、３）に接合圧力を印加するための圧力面Ｄを備えた圧力伝達手段が存在し、圧力面Ｄが接合面Ｖよりも小さいことを特徴としている。更に、本発明は、二枚のウェーハ（２、３）をそれらウェーハ（２、３）の一つの接合面Ｖにおいて、ウェーハ（２、３）に作用する圧力面Ｄを備えた圧力伝達手段（１）によって接合するための方法に関し、接合圧力は接合面Ｖの複数の部分に逐次的に印加される。

Description

本発明は、請求項１に記載されているように、二枚のウェーハ（特に構造ウェーハ）を特に永続的に接合するためのデバイスと、請求項９に記載されているように、これに対応した方法とに関する。

構造ウェーハの永続的な結合又は接合は、好ましくは、拡散接合、共晶接合、ガラスフリット接合、近年多くの応用において特に好まれているＣｕ‐Ｃｕ接合によって行われる。

適切な不可逆接合に対しては、高温及び／又は圧力が必要である。

構造ウェーハについては、益々薄くなり、面積が益々大きくなっていて、特にチップの歩留まりを可能な限り高くしなければならないので、接合方法に対しては常に大きな問題が生じている。一方で、ウェーハ間の接合面又は接触面に対する永続的な接合を経済的に且つ緻密に生成しなければならないという要求がある。

欧州特許出願公開第０９２６７０６号明細書 特開２０１０−２４５３９６号公報 特開２０００−１８８２４５号公報 米国特許第５７６９９９１号明細書

従って、本発明の課題は、緻密で効率的で経済的な接合（特に永続的な接合）の形成を可能にするウェーハの接合のためのデバイス及び方法を提案することである。

この課題は請求項１及び９の特徴によって解決される。本発明の有利な発展は従属項に与えられている。明細書、特許請求の範囲及び／又は図面に与えられている特徴の少なくとも二つのあらゆる組み合わせも、本発明の範囲内にある。所定の数値範囲において、その定められた限定内のあらゆる値も、境界値として開示されているものと見なされて、特許請求される。

本発明の基本的なアイディアは、接合圧力を二枚のウェーハの間の接合面の複数の部分に逐次的に印加する圧力伝達手段を提供することである。言い換えると、ウェーハに接合圧力を印加するための圧力面は、二枚のウェーハの接合面よりも小さく、特に顕著に小さい。従って、本発明によると、一定の時間に対して印加される全体的な圧縮力を低下させることが可能であり、その結果として、一方では、材料が保護されて、他方では、デバイスをはるかに経済的に製造することができる。

特に、ウェーハと圧力面を直接接触させる際に、二枚のウェーハを接合する圧力を印加するための機械的な労力が大幅に低下されるというのが、本発明の作用である。これは直径３００ｍｍ以上の、より好ましくは少なくとも４００ｍｍのウェーハサイズに対して本発明を使用する場合に特に当てはまる。

従って、本発明によると、圧力面が、ウェーハの接合面に対して系統的且つ均一に、接合面に対して平行に動かされて、圧力が接合面に均一に印加される。特に、接合面に作用する力の和が、表面に沿って特に均一に分布する。言い換えると、ウェーハの接合面に対する圧力の印加の間におけるあらゆる点に作用する合力が実質的に同一になり、特に、２０％未満、好ましくは１０％未満の偏差を有する。

本発明の有利な一実施形態によると、圧力面は、接合面の＜８０％、特に＜６０％、好ましくは＜４０％である。

圧力面を、接合面の反対側のウェーハの一方の作用面に沿って少なくとも部分的に特に完全に移動させることができる点において、本発明は、機械的な観点から容易に実行可能である。ここで、圧力面が二枚のウェーハの一方にのみ作用して、他方のウェーハが固定具（特にチャック）上において、接合面の反対側の支持面に対して全体的に固定されていると有利である。

更に、本発明によると、接合圧力を、圧力面に対応する接合面の一部に印加することができると有利である。これは特に、圧力面がウェーハと直接接触して、その間に素子、圧力板、又は圧力分布体が存在していない場合である。このようにして圧力を直接印加することができ、その作用を接合面に沿って均一に印加することができる。

圧力面にわたる圧力に加えて、圧力面が少なくとも部分的に特に完全に超音波に晒されることによって、振動エネルギーを接合面に印加することができる。これは、接合面に沿って、つまり接合されるウェーハ表面上に酸化物層が存在する場合に特に有利である。本発明によると、特に比較的小さな圧力面と組み合わさって、超音波振動の伝達が単純化される。何故ならば、力が小さな圧力面に応じて小さくなり、超音波振動を特に機械的により簡単に印加することができるからである。従って、本発明に係るデバイスの構成はより経済的なものになり、接合面に対して圧力をより均一で緻密に印加すること及び／又は接合面を振動に晒すことが、このように初めて可能になった。

本発明の他のより有利な実施形態によると、圧力面を、作用面に平行に、特に直線的に又は回転させて移動させることができる。圧力面と作用面との間の相対的運動は、圧力伝達手段が対応する駆動手段によって動かされるか、ウェーハの固定具が動かされるか（より複雑である）、圧力伝達手段用の駆動手段及び固定具が両方とも動かされるかによって、決められる。

圧力面が楔型である場合、作用を受けるウェーハに対して、特に回転作用に対して、円周上でより均一な力の分布が接合面に沿って生じる。

圧力面がストリップ状（特に平行な長辺を備える）の場合、特に正方形又は矩形のウェーハ表面に対して、圧力分布が、同じ力で均一となる。そうでない場合には、力の分布を、対応する制御によって圧力面と接触する作用面に適合させなければならなくなる。

本デバイスの上述の特徴は、本発明による方法に適用され、逆も同様である。

本発明の他の利点、特徴及び詳細は、図面を用いた以下の好ましい例示的な実施形態の説明から明らかになるものである。

第一実施形態の本発明に係るデバイスの第一方法ステップの側面図を示す。 図１ａに示される実施形態の第二方法ステップの側面図を示す。 図１ａ及び図１ｂに係る実施形態の第三方法ステップの平面図を示す。 本発明に係る第二実施形態の発明の平面図を示す。 本発明の第三実施形態の平面図を示す。 本発明の第四実施形態の平面図を示す。 図４ａに示される実施形態の側面図を示す。

図面において、同じ効果を有する同じ特徴については、同じ参照番号を付している。

図１は、非常に概略的な形式で本発明に係るデバイスを示し、具体的には、固定具４が、サンプルホルダーとして使用されていて、また、固定具４には、特にチャックとして、構造ウェーハ３を固定するための真空経路（図示せず）が設けられている。

構造ウェーハ３の固定面３ｏは、全体的に固定具４の上に置かれて、任意でそこに固定される。

固定具４は、接合チャンバー内に配置されて、その接合チャンバーは特に真空にひくことができるものであり、周知であると考えられるので、詳述しない。

第一の構造ウェーハ３は、少なくともその固定面３ｏの反対側の面の上に、構造体５（特に電子部品）を有する。

第二の構造ウェーハ２（任意で対応する構造体５’を有する）を、第一の構造ウェーハ３の上若しくは第一の構造ウェーハ３の上に配置された構造体５の上に堆積し、又はそれらと接触させる。事前段階において、構造ウェーハ２、３は互いに整列されて、そのための対応する整列手段（図示せず）が存在している。

二つの構造ウェーハ２、３の間（より正確には構造ウェーハ２、３の構造体５、５’の間）の接触は、接合面Ｖを生じさせて、この接合面Ｖにおいて、二つの構造ウェーハ２，３が互いに接合されて、又は、二枚のウェーハ２、３を接合した後の本発明に係る方法の終了時において接合力が有効となっている。接合面Ｖは一般的に、構造体５、５’の側の構造ウェーハ２，３の個々の面と比べてあまり小さくはないと考えられる。何故ならば、構造体５、５’は、歩留まりを上昇させるために、構造ウェーハ２、３の個々の面に可能な限り稠密に（全体的に）適用されるからである。

接合チャンバー内において、構造ウェーハ２、３は、温度に晒されるだけではなく、圧力伝達手段の部品である圧力板１が図１ｂに示される位置に下げられて、固定具４又は構造ウェーハ２，３に向き合う圧力面Ｄが、第二の構造ウェーハ２の作用面２ｏにまで下げられると、圧力にも晒される。圧力面Ｄは、作用面２ｏと平行に整列される。

図１ｃは、圧力板１の圧力面Ｄが作用面２ｏよりもはるかに小さいので、作用面２ｏの一部のみが一度に圧力板１を受けることができる様子を示す平面図である。圧力板１は、対応する駆動手段（図示せず）によって、一方では、接合面又は作用面に垂直なＺ方向に移動可能である。また、他方では、図１ｃに示されるように、作用面２ｏ又は固定具の支持面に平行な運動（つまりＸ‐Ｙ平面内の運動）を、対応するＸ‐Ｙ駆動手段によって行うことができる。

図１ｃに示される実施形態の場合、圧力板１が回転すると、制御装置によって制御された圧力を、作用面２ｏが圧力面Ｄから受ける。その圧力は、動力計によって測定可能である。

圧力板１又は圧力面Ｄは、二つの半径方向に延伸する辺７、８と、一つの湾曲部６によって画定されている。特に、湾曲部６は、辺７、８の交点９と同心状にある。また、交点９は、圧力板１の頂点を形成し、その頂点は構造ウェーハ２、３と同心状に整列可能である。また、湾曲部６は、構造ウェーハ２、３と同心状に配置可能であり、構造ウェーハ２、３と同心状に圧力板１を回転させることができる。従って、作用面２ｏが、圧力板１による圧力を均一に受けることができ、圧力の印加及び圧力板１の回転運動が、接合面Ｖの各点に対して終了時には実質的に同一の力が作用しているように制御される。従って、均一な接合が接合面に沿って得られる。

比較的小さな圧力板１又は圧力面Ｄは、接合面Ｖに対して、圧縮力に加えて、特に圧力板１に対する作用によって音波を伝達することも可能にする。好ましくは超音波が用いられ、これは、存在し得る酸化物層を破壊して、表面構造（つまり凹凸）にアクセスすることを加速又は促進するためのものである。温度に晒すことと組み合わさって、塑性変形も、特に音波によって誘起されるせん断応力によって、対向する構造体５、５’の接合面Ｖに対して表面構造に沿って生じる。

圧力板１に与えられる圧力は、音波発生器（図示せず）の音波と組み合わさって、圧力板１の回転によって、その下に存在する作用面２ｏの一部、つまりはその下に存在する接合面Ｖの一部に作用する。接合面Ｖにおける圧力は、回転によって接合面Ｖ全体に連続的に分布する。

図２に示される実施形態では、圧力板１に加えて、第二の圧力板１５が存在していて、第二の圧力板１５は、圧力板１に晒されていない作用面２ｏに作用する。第二の圧力板１５は、圧力板１から特に等距離で間隔が空けられていて、それ自体の駆動手段によって、好ましくは独立して、圧力板１によって、特に圧力板１と同期して、回転可能である。従って、本発明によると、圧力板１の領域では、音波に晒すのと同時に圧力を印加することができ、第二の圧力板１５の領域でも、圧力を印加することができるが（特に、圧力板１と同じ圧力）、好ましくは第二の圧力板１５は、音波に晒されない。

構造ウェーハ２、３の互いに対する相対的な変位は、Ｘ‐Ｙ平面内での圧力伝達手段の運動の前になされる比較的強力なプレ接合によって防止することができる。これは、例えば、一定の時間間隔で圧力を印加することによって、及び／又は、一定の時間間隔で温度に晒すことによって、及び／又は、構造ウェーハ２，３を互いに固定することによって（特に構造ウェーハ２、３の周辺領域において）、行われ得る。

図２に示される実施形態は、作用面２ｏに均一な圧縮力をほぼ全体的に印加することを可能にし、圧力板１の領域においては、振動を伝達させることもできる。

図３に示される実施形態では、圧力は、一つの直線方向Ｌに沿った直線運動によって印加され、ストリップ状の圧力面Ｄを備えた一つの圧力板１’が存在している。圧力面Ｄは二つの平行な長辺１０と、それら二つの平行な長辺１０と接続する二つの辺１１とを有する。圧力板１’は、長辺１０が直線方向１１と直交するように配置可能である。

第二の構造ウェーハ２の作用面２ｏは、直線運動及び圧力の同時印加を連続的に受ける（特に、追加的に音波に晒される）。その他の点に関しては、図１ａから図１ｃに類似して適用される図１に関する説明を参照。

図４ａ及び図４ｂに示される実施形態は、図１ａ、図１ｂ、図１ｃ、図２及び図３に係る三つの実施形態をある程度組み合わせたものを表す。

図４ａ及び図４ｂは、圧力伝達手段の部品としてのツール３０を示し、そのツール３０は、圧力面Ｄに向けて円錐状に延伸する圧力素子１７と、圧力素子１７に作用するシャフト２２と、支持ブレース１８とから成る。

ツール３０は、特にｚ方向に振動することができる。圧力面Ｄは、一つの長手方向Ａにおいて、作用を受ける第二の構造ウェーハ２の直径と少なくとも同じ長さであり、特に少なくとも３００ｍｍ（長さ）である。逆に、長手方向Ａに対する横方向において、つまり、横方向Ｑにおいて、圧力素子１７の圧力面Ｄは非常に細く、特に１０ｍｍ未満、好ましくは５ｍｍ未満、特に好ましくは１ｍｍ（幅）である。圧力面の対向する辺は、図３に示される実施形態と類似して、平行に延伸する。幅対長さの比は、１／３０未満、特に１／５０未満、より好ましくは１／１００未満である。

圧力素子１７は、駆動手段（図示せず）によって、シャフト２２周りに回転可能（特に前後に）である。回転は、回転中心９の周りで行われ、特に構造ウェーハ２、３が対応して整列していると仮定して、構造ウェーハ２又は固定具４に対して同心状に行われる。

プランジャー２１ａ及び２１ｂが静的圧縮力によってウェーハ２及び３を固定して、圧力素子１７の回転中にウェーハ２、３が互いにずれることを防止する。

圧力素子１７はウェーハ２の面２ｏと接触する。好ましくは、静圧に振動運動が重ねられる。その後、圧力素子１７が、回転中心９周りに回転し始める。プランジャー２１ａ及び２１ｂが、回転の角度範囲を９０°までに制限し、この角度範囲内において、回転を複数回繰り返すことができる。９０°の回転運動の間に、二枚のウェーハの略５０％の面積が互いに接合される。その後、プランジャー２１ａ及び２１ｂを作用面２ｏから上げて、無負荷状態にする。続いて、回転中心９周りで二つのプランジャー２１ａ及び２１ｂを９０°回転させる。その後、プランジャー２１ａ及び２１ｂを再び第二のウェーハ２の作用面２ｏに押し当てて固定する。最後に、回転中心９周りにツールを更に９０°回転運動させるが、その回転運動には、ウェーハ面の残りの５０％を互いに接合するために、静圧及び／又は振動が重ねられる。このプロセスを複数回繰り返すことができる。

圧力板１、１’をパターン化することができる。好ましくは、そのパターンは規則的である。

１、１’ 圧力板
２、２’ 第二の構造ウェーハ
２ｏ、２ｏ’ 作用面
３ 第一の構造ウェーハ
３ｏ 固定面
４ 固定具
５、５’ 構造体
６ 湾曲部
７ 辺
８ 辺
９ 交点
１０ 長辺
１１ 辺
１５ 第二の圧力板
Ｖ 接合面
Ｄ 圧力面
Ｌ 直線方向

構造ウェーハについては、益々薄くなり、面積が益々大きくなっていて、特にチップの歩留まりを可能な限り高くしなければならないので、接合方法に対しては常に大きな問題が生じている。一方で、ウェーハ間の接合面又は接触面に対する永続的な接合を経済的に且つ緻密に生成しなければならないという要求がある。
特許文献１には、ウェーハがピンによってプレ接合される基板処理システムが開示されている。特許文献２には、ＳＯＩウェーハ用の製造方法及びラミネーションデバイスが開示されている。特許文献３には、ウェーハの接合方法が開示されている。特許文献４には、ウェーハを接合するための方法及びデバイスが開示されている。

Claims (9)

1. 二枚のウェーハ（２、３）を該ウェーハ（２、３）の一つの接合面（Ｖ）において接合するためのデバイスであって、圧力面（Ｄ）において前記ウェーハ（２、３）に接合圧力を印加するための圧力面（Ｄ）を備えた圧力伝達手段が存在し、前記圧力面（Ｄ）が前記接合面（Ｖ）よりも小さいことを特徴とするデバイス。
2. 前記圧力面（Ｄ）が前記接合面（Ｖ）の＜８０％、特に＜６０％、好ましくは＜４０％である、請求項１に記載のデバイス。
3. 前記圧力面（Ｄ）が、前記接合面（Ｖ）の反対側の前記ウェーハ（２、３）の一方の一つの作用面（２ｏ、２ｏ’）に沿って少なくとも部分的に特に完全に移動する、請求項１又は２に記載のデバイス。
4. 前記接合圧力が、前記圧力面（Ｄ）に対応する部分である前記接合面（Ｖ）の一部に印加される、請求項１から３のいずれか一項に記載のデバイス。
5. 前記圧力面が、少なくとも部分的に特に完全に超音波に晒される、請求項１から４のいずれか一項に記載のデバイス。
6. 前記圧力面（Ｄ）が、作用面（２ｏ、２ｏ’）に平行に特に直線的に又は回転して移動する、請求項１から５のいずれか一項に記載のデバイス。
7. 前記圧力面（Ｄ）が楔型である、請求項１から６のいずれか一項に記載のデバイス。
8. 前記圧力面（Ｄ）がストリップ状であり、特に平行な長辺（１０）を備える、請求項１から６のいずれか一項に記載のデバイス。
9. 二枚のウェーハ（２、３）を該二枚のウェーハ（２、３）の一つの接合面（Ｖ）において該ウェーハ（２，３）に作用する圧力面（Ｄ）を備えた圧力伝達手段によって接合するための方法であって、接合圧力が前記接合面（Ｖ）の複数の部分に逐次的に印加される、方法。

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