JP2015514307A - ボンディング圧を圧力伝達する圧力伝達プレート - Google Patents

Abstract

本発明は、特に熱圧着ボンディング時に、加圧装置からウエハにボンディング圧を圧力伝達する圧力伝達プレートであって、加圧装置に接触するための第１の圧力面と、該第１の圧力面とは反対側に位置する第２の圧力面とを備えていて、該第２の圧力面は、ウエハに接触しかつ該ウエハを押圧するための有効接触面を有しており、少なくとも該有効接触面は、前記ウエハに対して低い粘着性を有している。本発明はまた、ボンディング時における圧力伝達プレートの使用に関する。

Description

本発明は、請求項１に記載した、特に熱圧着ボンディング時に、加圧装置からウエハにボンディング圧を圧力伝達する圧力伝達プレート、並びに請求項１０記載の使用に関する。

無数のボンディング方法のうちの１つが、熱圧着ボンディングである。このボンディング法では、２つのウエハが極めて高い圧力と温度において互いに永久的に結合もしくはボンディングされる。可能な限り均一なボンディング境界面を得るために、ボンドチャック及び押圧プレートもしくは押圧ディスクといった工具は、可能な限り僅かな表面粗さをもって製造される。これらの工具はそもそも表面粗さを有さず、完全に平らで、かつ可能な限り欠陥を有しないことが有利である。場合によっては存在する微視的な凹凸及び／又は波立ちを補償するために、押圧プレートの片側又は両側に、例えばグラファイトプレートである補償プレートを固定することができる。このような補償プレートは柔らかく、かつ変形可能である。従って補償プレートは、ボンディングプロセスにおいて、押圧プレートとその後ろに位置する工具及び／又はボンディングされるウエハの表面との間に位置する。

大抵のボンディング方法のためには、補償プレートは、凹凸を補償するという課題を解決することができる。この場合補償プレートは、該補償プレートとウエハとの間の空間を効果的に満たすことによって、課題を解決する。しかしながら、熱圧着ボンディングの場合には、この充填による凹凸の補償が高い圧力と温度に基づいて、時間の経過と共にウエハが押圧ディスク又は補償プレートに引っ掛かったままになってしまうという問題がある。これによってボンディングチャンバをボンディング工程後に開放した時に、ウエハが損傷するということが起きる。この損傷は主として、ウエハがボンディングチャンバの開放時に押圧ディスク又は補償プレートの表面に固着し、数ミリ秒〜数秒の間に自然発生的に粘着力が失われることによって生じる。これによってウエハは落下して激突し、損傷してしまう。

ゆえに本発明の課題は、ボンディング時における損傷、特にボンディングされたウエハをボンディング装置から取り出す際における損傷を回避することができる、圧力伝達プレートを提供することである。

この課題は、請求項１及び１０に記載の特徴によって解決される。本発明の別の好適な態様は、従属請求項に記載されている。明細書、請求項及び／又は図面に記載された特徴のうちの少なくとも２つから成るすべての組合せも、本発明の枠内にある。記載された数値範囲では、記載された限界値内にある値もまた限界値として開示されるべきであり、かつ任意の組合せも請求の範囲に含まれる。

本発明の思想は、ウエハに対して粘着性の低い圧力伝達プレートを加圧装置に取り付けることによって、これにより圧力伝達プレートとウエハとの間において、圧力伝達プレートからのウエハの解離を容易にし、ひいては損傷を回避するという思想に基づいている。粘着力を減じることによって、ウエハをボンディング後にそれぞれの押圧プレートから解離することができ、固着に起因した、例えば落下によるウエハの損傷を回避することができる。本発明によれば、その他の好ましい特性を維持しながら、圧力伝達プレートからの確実な解離が保証される。

粘着性によって、本発明によれば特にｍ^２当たりの特定の保持力が明示され、この保持力は本発明によれば可能な限り小さいことが望ましく、その結果、収容面における基板の固定の大部分は、固定部分における固定手段によって生ぜしめられる。

互いに結合された２つの固体の間における粘着力を測定したい場合には、固体を貫く亀裂を生ぜしめるのに必要なエネルギを測定することができる。半導体工業では、いわゆる「ブレード試験」又は「Ｍａｓｚａｒａ ブレード試験」がしばしば使用される。この試験は、厳密に言えば、２つの固体の間における結合エネルギを測定するための方法である。多くの場合、両方の固体は互いに溶接されている。可能な限り多くの他の材料に対して低い粘着性を有することが望まれている１つの層の粘着性を測定するために、本発明によれば好ましくは他の測定方法が使用される。最も頻繁に使用される測定方法は、接触角法（Kontaktwinkelmethode）である。

この接触角法は、検査液の使用によって固体の表面エネルギに関する情報を得るために、ヤングの等式と一緒に使用される。

この接触角法は、特定の検査液、多くの場合は水によって表面の表面エネルギを評価する。当業者には、相応の測定方法及び評価方法が周知である。接触角法によって求められた接触角は、Ｎ／ｍ又はＪ／ｍ^２に換算することができる。しかしながら等しい検査液を用いて異なった表面を相対比較するためには、接触角のデータだけで、表面の粘着性の（相対）評価を得るのに十分である。例えば水を検査液として使用することによって、水滴において約３０°の接触角を生ぜしめる湿された表面は、水滴において約１２０°の接触角を有する表面に比べて高い粘着性を（厳密に言えば水に対してだけ）有していると言うことができる。

本発明による実施形態は好ましくは、シリコンウエハに対する押圧荷重のために使用される。ゆえにシリコンに対する、本発明において使用される任意の低粘着性層の表面エネルギを求めることが望ましい。シリコンは室温では液状ではないので、上において述べたように、１つの検査液が、この検査液に関して本発明による低粘着性層を特徴付けるために使用される。従って以下に挙げるすべての接触角値及び／又は表面エネルギは、本発明による低粘着性層を１つの検査液に関して評価した値であって、他の物体、好ましくは固体、さらに好ましくはシリコンに対する、粘着性に関する少なくとも１つの相対的な表現を可能にする値である。

本発明の好適な態様では、粘着性は、０.１Ｊ／ｍ^２未満、特に０.０１Ｊ／ｍ^２未満、好ましくは０.００１Ｊ／ｍ^２未満、さらに好ましくは０.０００１Ｊ／ｍ^２未満、理想的には０.００００１Ｊ／ｍ^２未満の表面エネルギによって、確定されている。

択一的に又は追加的に、本発明の好適な態様では、接触面の粘着性は、２０°よりも大きい、特に５０°よりも大きい、好ましくは９０°よりも大きい、さらに好ましくは１５０°よりも大きい接触角によって確定されている。他の材料に対する表面の粘着性は、上に述べた接触角法を用いて測定することができる。この場合、好ましくは水（本発明における値は水に関する）（択一的にグリセリン又はヘキサデカン）である公知の液体の液滴が、測定すべき表面において分離される。顕微鏡を用いて、辺の角度、つまり液滴における接線と測定すべき表面との間の角度が正確に測定される。

本発明の別の好適な態様では、圧力伝達プレートは、グリッドとして、特に２ｍｍ未満、好ましくは１ｍｍ未満、さらに好ましくは０.５ｍｍ未満、さらに好ましくは０.１ｍｍ未満、最も好ましくは０.０１ｍｍのメッシュサイズＭを備えた、グリッドとして形成されている。最適なメッシュサイズがウエハの直径及び厚さにも関連し得ること及び特に実験によって経験的に求められることは、当該分野における当業者にとって明らかである。非粘着作用は、極めて小さな、しかしながら有限のメッシュサイズＭによって引き起こされる。このメッシュサイズＭは本発明によれば、圧力伝達装置の均一な圧力分布を可能な限りウエハの表面に伝達するのに十分ではなく、同時に絶対的な接触面を、圧力伝達装置、特に上側の工具におけるウエハの粘着がもはや不可能であるかもしくは少なくともウエハの重量よりも僅かであるように減じる。

択一的に又はこれに加えて、本発明の別の態様では、少なくとも第２の圧力面の接触面は、特にショットピーニング、サンドブラスト、研削、エッチング及び／又は研磨によって生ぜしめられた、１００ｎｍ〜１００μｍの間、特に１μｍ〜１０μｍ、さらに好ましくは３μｍ〜５μｍの間の表面粗さを有している。このような表面粗さは、特に、ウエハ厚さ及び／又はウエハ直径にも関連することができる。ある特定のウエハ直径及び／又はある特定のウエハ厚さに対して最適な粗さが存在するということが判明している。このことは本発明によれば相応に経験的に求められる。本発明の好適な態様では、表面粗さはウエットケミカル式に製造される。酸の使用によって、表面は所望のように腐食される。相応のサイズの粒子を有するショットピーニング、サンドブラスト、研削及び／又は研磨のような上に述べた方法によって、相応の粗さを有する表面が製造される。これによって生じる非粘着性作用の効果は、グリッドの効果に似ており、ただこの場合には規則的なメッシュ構造ではなく、不規則な表面が、非粘着性の所望の効果を生ぜしめる。

ナノ技術から公知のように、まさにマイクロ範囲及び／又はナノ範囲における低い粘着性表面は極端な凹凸を有しており、このような凹凸の形態は、まさに低粘着性のために寄与するか又は低粘着性を惹起する。当業者に公知の１例としては、いわゆる「ロータス効果」がある。

圧力伝達プレートは、少なくとも４００℃まで、特に少なくとも８００℃まで、好ましくは少なくとも１２００℃まで、さらに好ましくは少なくとも２０００℃まで、さらに好ましくは少なくとも３０００℃まで、熱力学的に安定した材料から形成されていると、圧力伝達プレートを熱圧着ボンディングの場合に好適に使用することができる。

この場合さらに、圧力伝達プレートが、特に大きな温度範囲にわたって、不変で高い圧縮強さ、特に４００℃を越える温度において１００ＭＰａよりも大きな、特に５００ＭＰａよりも大きな、好ましくは１０００ＭＰａよりも大きな、さらに好ましくは２０００ＭＰａよりも大きな、不変で高い圧縮強さを有する材料から形成されていると好適である。圧縮強さは特に、押圧ディスクの周囲における制限手段によって高めることができる（少なくとも２軸方向の圧縮強さ）。

考えられる材料クラスとしては特に下記のものが挙げられる。すなわち、
高温プラスチック、
セラミック、炭化ケイ素、窒化ケイ素など、
金属、
耐熱金属、
耐熱鋼、
一般的な工具鋼
又は上記の材料の任意の組合せ。

本発明によれば圧力伝達プレートは好ましくは、ある程度の弾性／変形可能性を有しており、このようになっていると、押圧時におけるウエハ及び／又は圧力伝達装置の凹凸又は波立ちを補償することができる。

本発明の別の好適な態様では、圧力伝達プレートは、１５ｍｍ未満の厚さｄ、有利には１０ｍｍ未満、好ましくは５ｍｍ未満、さらに好ましくは１ｍｍ未満、極めて好ましくは０.１ｍｍ、最も好ましくは０.０５ｍｍ未満の厚さｄを有している。

本発明のさらに別の好適な態様では、少なくとも第２の圧力面、好ましくは圧力伝達プレート全体は、ウエハに対して所定の条件時に不活性である、及び／又はウエハ材料と反応しない及び／又はウエハ材料に対して可溶性でない、材料から形成されている。特に、金属の汚染に対して極めて敏感なロジックファミリを有するウエハでは、少なくとも第２の圧力面、好ましくは圧力伝達プレート全体における相応の化学的なエレメントの集中は、本発明によれば設定された限界値の下にある。ＣＭＯＳ互換性（Kompatibilitaet）の特殊例において、圧力伝達プレートの材料は好ましくは、合金エレメントＡｕ，Ｃｕ，Ａｇを有していない。

粘着性の低下及び／又は僅かな粘着性の発生は、本発明によれば、特に本発明による他の手段との組合せにおいて、表面に沿って空気通路を所望のように形成することによっても得られる。これによって接触面における真空の形成は、最小化される、又は阻止される。

本発明によるさらに別の態様では、補償プレートは、ウエハと補償プレートとの間におけるガス分子アクセスのために荒い表面を有している。本発明によればこれによって、上に述べた方法によって粗い表面を生ぜしめることによって、ウエハと補償プレートとの間における真空が阻止される。

圧力伝達プレートについて記載した特徴は、記載した使用の特徴としても開示されていると見なすべきであり、また逆に、使用について記載した特徴は、圧力伝達プレートの特徴としても開示されていると見なすべきである。

ボンディングのため、特に熱圧着ボンディングのための上に述べた圧力伝達プレートの使用もまた、独立した発明として開示される。

本発明のその他の利点、特徴及び詳細については、以下において図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態において詳説する。

本発明による圧力伝達プレートを使用したボンディング装置を概略的に示す横断面図である。 本発明による圧力伝達プレートの第１実施形態を示す平面図である。 本発明による圧力伝達プレートの第１実施形態を示す横断面図である。 本発明による圧力伝達プレートの第２実施形態を示す平面図である。 本発明による圧力伝達プレートの第２実施形態を示す横断面図である。

図面には本発明の利点及び特徴が、それらの利点及び特徴をそれぞれ示す符号を用いて本発明の実施の形態によって示されており、この場合同じ又は同じ機能を有する構成部材もしくは特徴は、同一符号で示されている。

図面において本発明による特徴は、個々の特徴の機能を示すことができるようにするために、正確な縮尺では示されてはいない。また個々の構成部材の関係も部分的に極端である。

図１には、第１のウエハ５を第２のウエハ６とボンディングするボンディング装置が示されており、両ウエハ５，６はそのために、収容装置、ここではチャック７に収容され、かつ特に真空路やクランプ等によって固定されている。

ボンディング装置は特にボンディング室をも有することができ、このボンディング室内に、図１に示した部材が収容されているか又は収容可能であり、該ボンディング室内において、確定された雰囲気、特に高温及び高圧又は低圧（真空）を発生させることができる。

第１のウエハ５と第２のウエハ６とから成るウエハ対の上には、加圧装置１が配置されている。この加圧装置１は、ウエハ対に対向させて方向付けることができ、この加圧装置１を用いてボンディング圧又はボンディング力をウエハ対に加えることができる。向かい合って位置する方向付け及び均一な加圧のための相応の制御装置は、当業者にとって周知である。

加圧装置１の、ウエハ対に向いた側の面１ｏには、固定装置２によって、特にグラファイトプレートとして形成された補償プレート３が加圧装置１に固定されている。補償プレート３は、ウエハ５，６もしくはウエハ対の凹凸を補償するために役立つ。補償プレート３の、加圧装置１とは反対側の面３ｏには、特に同様に固定手段２によって、本発明による圧力伝達プレート４が固定されている。この圧力伝達プレート４は、第１の圧力面４ｄを有していて、この第１の圧力面４ｄで補償プレート３の面３ｏに接触している。さらに圧力伝達プレート４は、第１の圧力面４ｄとは反対側の第２の圧力面４ｏを、ウエハ対、ここではウエハ５の表面５ｏとの接触のために有している。

図示の実施形態では、補償プレート３及び圧力伝達プレート４は、その周面においてほぼ同じ寸法を有しており、これらの寸法は、ウエハ５，６の寸法ともほぼ同じであり、まったく同じでないとしても、ウエハ５，６の寸法を僅かに上回っているか又は下回っているだけである。

固定手段２は、補償プレート３及び圧力伝達プレート４をそれらの周面を介して固定しており、この場合第２の圧力面４ｏの側縁におけるクランプも可能である。

第２の圧力面４ｏの、ウエハ５と接触する領域は、図示の実施形態ではほぼ第２の圧力面４ｏと合致する有効接触面４ｋである。

本発明による圧力伝達プレート４，４′は好ましくは、４インチ、６インチ、８インチ、１２インチ又は１８インチの直径を有しており、これによって本発明による圧力伝達プレート４，４′は、ウエハの通常の工業寸法に対応している。また任意の他の直径も可能である。

図２ｂには、図１の領域Ａが拡大して横断面図で示されており、図２ａに示した圧力伝達プレート４の実施形態では、圧力伝達プレート４は格子もしくはグリッドネットとして形成されている。固着防止作用もしくは低い粘着力は、極めて小さな、しかしながら有限の網目幅もしくはメッシュサイズＭによって生ぜしめられる。メッシュサイズＭは、補償プレート３の均一な圧力分布を可能な限りウエハ５の表面５ｏに伝達するのに十分な小さいサイズを有している。図示の実施形態によって、圧力伝達プレート４とウエハ５との間における絶対的な接触面もしくは有効接触面４ｋは減じられ、その結果ウエハ５に対する圧力伝達プレート４の粘着作用は最小になり、かつ相応な材料選択によって、圧力伝達プレート４におけるウエハ対の固着がもはや生じないほど、小さくなる。

図３ａ及び図３ｂに示した、特に金属薄板又はシートとして形成された圧力伝達プレート４′の実施形態では、第２の圧力面４ｏ′が大きな表面粗さを有している。この表面粗さは特にウエットケミカル式に製造することができる。目的に合わせて酸を使用することによって、表面４ｏ′は侵食される。特に次いで又はもっぱら、相応に大きな粒子を用いたショットピーニング、サンドブラスト、研削及び／又は研磨によって、決定された表面粗さを与えることができる。

それにもかかわらず圧力伝達プレート４′と補償プレート３との共働において、良好な圧力分布が可能になり、かつ均一なボンディング力を加えることができる。

この場合圧力伝達プレート４′は、その上に位置する補償プレート３及び／又はボンディング力を加えられるウエハ５の凹凸に適合するのに十分な弾性を有している。

本発明による圧力伝達プレート４，４′のための材料としては、特に鋼及び／又は耐熱金属、特にこれらの合金が使用される。好ましくは耐熱鋼が使用される。

圧力伝達プレート４，４′は厚さｄを有しており、これによって、該圧力伝達プレートの側から、つまり固定手段２を介して固定するのに十分な曲げ強さを得ることができる。固定手段２は、特に、圧力伝達プレート４，４′の周囲に分配配置された固定エレメントを有している。

固定手段としては、特に、高温接着剤及び／又は、補償プレート３のグラファイトマトリックス内への圧力伝達プレート４，４′の材料の埋込みによる、補償プレート３との直接的な結合形態も挙げることができる。別の実施形態によれば、図２ａ，図２ｂの実施形態によるメッシュもしくはグリッドとグラファイト層３とが、特に、より軟らかいグラファイト層３への特に金属製のグリッドの埋込みによって、圧力方向で見て直列結合部を成している。

１ 加圧装置
１ｏ 面
２ 固定手段
３ 補償プレート
３ｏ 面
４，４′ 圧力伝達プレート
４ｏ，４ｏ′ 第２の圧力面
４ｄ 第１の圧力面
４ｋ 有効接触面
５ 第１のウエハ
５ｏ 表面
６ 第２のウエハ
７ チャック
ｄ 厚さ
Ｍ メッシュサイズ
Ｍ′ 表面粗さ

Claims (10)

1. 特に熱圧着ボンディング時に、加圧装置（１）からウエハ（５）にボンディング圧を圧力伝達する圧力伝達プレート（４，４′）であって、
   前記加圧装置（１）に接触するための第１の圧力面（４ｄ）と、
   該第１の圧力面（４ｄ）とは反対側に位置する第２の圧力面（４ｏ，４ｏ′）とを備えていて、該第２の圧力面（４ｏ，４ｏ′）は、前記ウエハ（５）に接触しかつ該ウエハ（５）を押圧するための有効接触面（４ｋ）を有しており、少なくとも該有効接触面（４ｋ）は、前記ウエハ（５）に対して低い粘着性を有していることを特徴とする、ボンディング圧を圧力伝達する圧力伝達プレート。
2. 前記粘着性は、０.１Ｊ／ｍ^２未満、特に０.０１Ｊ／ｍ^２未満、好ましくは０.００１Ｊ／ｍ^２未満、さらに好ましくは０.０００１Ｊ／ｍ^２未満、理想的には０.００００１Ｊ／ｍ^２未満の表面エネルギによって確定されている、請求項１記載の圧力伝達プレート。
3. 前記有効接触面（４ｋ）の粘着性は、２０°よりも大きい、特に５０°よりも大きい、好ましくは９０°よりも大きい、さらに好ましくは１５０°よりも大きい接触角によって確定されている、請求項１又は２記載の圧力伝達プレート。
4. 圧力伝達プレート（４，４′）は、グリッドとして、特に２ｍｍ未満、好ましくは１ｍｍ未満、さらに好ましくは０.５ｍｍ未満、さらに好ましくは０.１ｍｍ未満、最も好ましくは０.０１ｍｍ未満のメッシュサイズＭを備えた、グリッドとして形成されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の圧力伝達プレート。
5. 少なくとも第２の圧力面（４ｏ，４ｏ′）の前記有効接触面（４ｋ）は、特にショットピーニング、サンドブラスト、研削及び／又は研磨によって生ぜしめられた、１００ｎｍ〜１００μｍの間、特に１μｍ〜１０μｍの間、さらに好ましくは３μｍ〜５μｍの間の表面粗さＭ′を有している、請求項１から４までのいずれか１項記載の圧力伝達プレート。
6. 圧力伝達プレート（４，４′）は、少なくとも４００℃まで、特に少なくとも８００℃まで、好ましくは少なくとも１２００℃まで、さらに好ましくは少なくとも２０００℃まで、さらに好ましくは少なくとも３０００℃まで、熱力学的に安定した材料から形成されている、請求項１から５までのいずれか１項記載の圧力伝達プレート。
7. 圧力伝達プレート（４，４′）は、特に大きな温度範囲にわたって、不変で高い圧縮強さ、特に４００℃を越える温度において１００ＭＰａよりも大きな、特に５００ＭＰａよりも大きな、好ましくは１０００ＭＰａよりも大きな、さらに好ましくは２０００ＭＰａよりも大きな、不変で高い圧縮強さを有する材料から形成されている、請求項１から６までのいずれか１項記載の圧力伝達プレート。
8. 圧力伝達プレート（４，４′）は、１５ｍｍ未満の厚さｄ、有利には１０ｍｍ未満、好ましくは５ｍｍ未満、さらに好ましくは１ｍｍ未満、極めて好ましくは０.１ｍｍ未満、最も好ましくは０.０５ｍｍ未満の厚さｄを有している、請求項１から７までのいずれか１項記載の圧力伝達プレート。
9. 少なくとも第２の圧力面（４ｏ，４ｏ′）、好ましくは圧力伝達プレート（４，４′）全体は、前記ウエハ（５）に対して所定の条件時に不活性である、及び／又はウエハ材料と反応しない及び／又はウエハ材料に対して可溶性でない、材料から形成されている、請求項１から８までのいずれか１項記載の圧力伝達プレート。
10. ボンディング時、特に熱圧着ボンディング時における、請求項１から９までのいずれか１項記載の圧力伝達プレート（４，４′）の使用。

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