JP2016504760A - 接合する装置および方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、第１の基板（２）に第２の基板（５）を接合する装置に関する。この装置は、以下の特徴：すなわち、接合層（３）によりコーティングされた第１の基板（２）と、接合層（３）に載せられた第２の基板（５）とを保持する保持装置（１）と、第２の基板（５）の、接合層（３）と反対の側の被加圧面（５ｏ）に、該被加圧面（５ｏ）の縁ゾーン（Ｒ）よりも内側に位置する出発ゾーン（Ａ）を起点として被加圧面（５ｏ）全体に加えられるまで、接合力を加える加圧装置と：を備えている。さらに、本発明は、対応する方法に関する。

Description

本発明は、請求項１記載の接合する装置ならびに請求項１０記載の対応する方法に関する。

半導体産業では、製品ウェーハを支持ウェーハに仮接着することがますます多くなっている。この仮接着時には、接着剤、いわゆる「接合用接着剤」が製品ウェーハおよび／または支持ウェーハに、可能な限り均質の層厚さを有する層の形態で塗布される。しかしながら、コーティング工程後、両ウェーハは高い力で互いに押し付けられなければならない。この工程が、「接合」という概念で知られている。両ウェーハに圧力を加えるために使用される加圧プレートは、今日の先行技術によれば、可能な限りむらのない接合力を全体に加えるために、平らであることが望ましい。加圧プレートは、これに相応して精密に製造もされる。下側のプレートは、接合チャック、すなわち、サンプル支持体の載着部材として製造されている。上側のプレートは加圧プレートと呼ばれ、接合チャンバの上側に相応に組み付けられる。

製品および／または支持ウェーハに慣用の回転塗布法(Spin-Belackung)によって塗布が行われた後、流動学的なかつ流体動力学的な特性に基づき、層縁部に少なくとも１つの、いわゆる「エッジビード」が生じる。この「エッジビード」は、円形の基板であるウェーハの縁部全体に沿って認めることができる材料堆積部である。中心部の材料厚さと縁部の材料厚さとの間の差は、ほんの数マイクロメートルであり、時には、ほんの数ナノメートルでしかない。これに基づき、接合時、すなわち、接合力を加える場合には、むらのある接合力および／または盛り上がったかまたは余剰の接着剤の押出しの問題が極めて頻繁に生じてしまう。

理想的には、本発明による接合工程のための層は、均質の厚さを有している。これに関連して、「均質の厚さ」とは、接合層の厚さが、あらゆる位置で等しいかもしくは許容可能な誤差の範囲内にあることを意味している。しかしながら、理想的な接合条件下でさえ、すなわち、均質の層厚さ、完全に平らに加工された加圧プレート、完全に平らに加工された接合チャックならびにむらのない均質の加圧の場合でさえ、接合工程後には、不均質の厚さを有する層が生じてしまうことが経験から判っている。その理由は、層の流動学的なかつ流体動力学的な特性と、物理学的な問題の主たる初期・周辺条件とにある。材料は、中心部では、基板の縁部の材料ほど迅速に平面内で拡がらないので、縁部付近における流動速度が高められてしまう。これは、中心部の材料それ自体が妨げになっているとも云える。これに対して、縁部材料は外方に自由に流れ去ることができる。相応の「エッジビード」を備えた層では、状況がかなり悪化してしまう。なぜならば、この場合には、単位面積あたり、中心部よりも多くの材料が縁部に存在すらしているからである。

したがって、本発明の課題は、冒頭で述べた接合する装置および方法を改良して、不均質の層厚さの上述した問題を阻止するかまたは少なくとも減らすことである。

この課題は、請求項１および１０の特徴によって解決される。本発明の有利な改良態様は、従属請求項に記載してある。本発明の範囲には、明細書、特許請求の範囲および／または図面に記載した複数の特徴のうちの少なくとも２つから成る全ての組合せも含まれる。数値範囲では、記載した限界の範囲内にある数値も限界値として開示されたものとし、任意に組み合わせて請求可能であるものとする。

以下では、本発明による構成を明瞭にするために、製品基板と基板とを区別する。この製品基板と基板とは任意に相互に交換することができ、かつ／または組み合わせることができるので、たとえば基板−基板の組合せ、製品基板−製品基板の組合せ、基板−製品基板の組合せまたは製品基板−基板の組合せが可能となる。さらに、支持基板への塗布も可能となる。第１の基板は、基板、たとえば支持基板であってよい。第２の基板は、製品基板であってよい。

本発明の基本思想は、製品基板の、接合層と反対の側の被加圧面に、この被加圧面の縁ゾーンＲよりも内側に位置する出発ゾーンＡを起点として接合力を加えることを実施することにある。言い換えると、まず、製品基板が、特に加圧装置の圧力伝達面の形状に起因して、出発ゾーンＡの範囲内で接合層に押圧される（このとき、接合層の被着により形成された隆起部、いわゆる「エッジビード」が存在している限り、製品基板は、縁ゾーンの領域で少なくとも部分的にすでに接合層の隆起部に載置していてよい）。

本発明の思想は、加圧を接合層の中心部で行うことにある。この中心部では、接合層の材料が、接合層の側方の十分な材料によって完全に取り囲まれているので、主たる周辺条件に基づき、中心部の材料の流動が妨げられる。これによって、本発明によれば、両ウェーハを互いに結合するための最適な可能性が得られる。なぜならば、いわゆる「はみ出し」、すなわち、接合材料の（コントロールされない余剰の）押出しが阻止されるかまたは少なくとも減じられるからである。「エッジビード」が存在する場合には、接合層に降下させられた製品ウェーハが、本発明により、加圧装置によって接合層の中心部に向かって湾曲させられ、これによって、製品ウェーハの弾性変形により、加圧装置から「エッジビード」への早期の力伝達を阻止している。

本発明の態様は、加圧プレート（プレッシャディスク）に対する構造技術的な解決手段を提案することにある。この解決手段によって、本発明によれば、力導入を、周辺条件に基づき流動しにくい材料が位置する中心部に集中させて開始することが可能となる。

本発明の有利な態様によれば、加圧装置が、凸状に湾曲させられた圧力伝達面を有する加圧プレートを備えていることが提案されている。特に全面にわたって閉じられている圧力伝達面によって、むらのない加圧が可能となる。加圧プレートの圧力伝達面は、特に非付着性に形成されている。

本発明により湾曲させられた圧力伝達面の接平面が、理想的には平らな圧力伝達面の仮想平面に対して法線方向で少なくとも５ｎｍおよび／または最大で５００μｍだけ、特に少なくとも２０ｎｍおよび／または最大で２００μｍだけ、好適には少なくとも５０ｎｍおよび／または最大で５０μｍだけ、より好適には少なくとも１００ｎｍおよび／または最大で５μｍ、間隔を置いて配置されていると特に有利である。この態様では、湾曲が同心的に形成されていると有利である。なぜならば、こうして、１つには、加圧プレートを剛性的にかつ接合力の適用時に不撓性に形成することができるからである。極めて大きな曲率半径を有する極めて小さな曲率によって、１つには、接合層の平滑化もしくはプラナリゼーションを内側から外側に向かって行いかつ、もう１つには、対応する凹状の僅かな湾曲を接合層にも形成する最小限の膨らみしか設けられていない。

出発ゾーンＡが、製品基板面に対して同心的に配置されていることにより、可能な限りむらのない接合結果が達成可能となる。

加圧装置が、接合力を制御装置により制御して加えるポンチを有している態様が特に好適である。このポンチは加圧プレートに、好ましくは交換可能に結合されており、これによって、種々異なる加圧プレートをその都度の要求に合わせて使用することができる。有利には、本発明によれば、適切な加圧プレートを選択するために、特に縁ゾーンＲにおける接合層の盛上り量を測定することが提案されていてよい。

本発明の別の有利な態様によれば、加圧プレートが、圧力伝達面を有する下側のプレートと、加圧プレートを、特に外縁部Ｐの領域で位置決め手段を介して位置決めする保持プレートとから形成されていることが提案されている。こうして、上述した特性、特にほんの僅かな曲率を有する加圧プレートが、特に簡単にかつ正確に製造可能となる。

下側のプレートが、出発ゾーンＡの領域で外縁部Ｐよりも肉厚に形成されていると特に有利である。

これに対して択一的には、出発ゾーンＡの領域で下側のプレートと保持プレートとの間にスペーサが配置されており、これによって、この態様では、下側のプレートも互いに平行な２つの平坦面を有することができ、ひいては、より容易に製造可能となる。下側のプレートは、特に剛性的に形成されている上側の保持プレートよりも弾性的である。

別の択一的な態様では、出発ゾーンＡの領域で保持プレートに対して下側のプレートに荷重を加える、特に制御装置により制御される、圧力伝達面の曲率を調整するための撓めエレメントが配置されている。こうして、曲率を一回調整することができるだけでなく、接近および接合の間に曲率のアクティブ制御すら行うこともできる。

本発明によれば、特に加圧プレートの曲率半径を調整することが提案されているかまたは規定の曲率半径を有する、ウェーハに適した加圧プレートを選択することが提案されている。

本発明に係る装置および本発明に係る方法ならびに本発明に係る使用には、上述した特徴が類似して適用される。

本発明による加圧プレートは、あらゆる任意の材料から製造されてよい。しかしながら、高い弾性係数と高い硬さ値とを有する材料が特に良好な接合結果を示すことが判った。加圧プレートには、好適には、以下の材料：すなわち、
・セラミックス、特に窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、炭化ケイ素（ＳｉＣ）および／または窒化ホウ素（ＢＮ）、および／または
・金属およびその合金、一般的に高融点金属、特に鋼および／または別種の鉄ベース材料、および／または
・黒鉛、および／または
・ガラス、および／または
・ポリマ、および／または
・複合材料：
が使用される。

本発明の更なる利点、特徴および詳細は、好適な実施の形態の説明ならびに図面に基づき明らかである。

本発明に係る方法の実施の形態の第１のステップの横断面図である。 本発明に係る方法の実施の形態の第２のステップの横断面図である。 本発明に係る方法の実施の形態の第３のステップの横断面図である。 接合の開始時の本発明に係る方法の実施の形態の横断面図である。 接合時の本発明に係る方法の実施の形態の横断面図である。 接合の終了時の本発明に係る方法の実施の形態の横断面図である。 本発明による加圧プレートの第１の実施の形態の横断面図である。 本発明による加圧プレートの第２の実施の形態の横断面図である。 本発明による加圧プレートの第３の実施の形態の横断面図である。

図中、同一のまたは同作用の構成部材には、同じ符号が付してある。

コントロールされた接合工程を実施するために、本発明による加圧プレートが使用される本発明によるプロセスを以下に説明する。本発明によるプロセスは、「エッジビード」を備えた接合層に対して図示してある。しかしながら、本発明によるプロセスは、均質の層厚さを有する接合層、すなわち、「エッジビード」なしの接合層に対して実施されてもよい。制御は、特にソフトウェアサポートされた制御装置（図示せず）を介して行われる。

第１のステップ（図１参照）では、基板２（特にウェーハ）に接合層３としてコーティング材料（特に仮接着剤）が塗布される。コーティングは、産業的に慣用のコーティング装置内で行われる。スピンコーティング(Spin-Coating)プロセスによる接合層３の形成時には、しばしば縁ゾーンＲに、全周にわたって延びる隆起部３ｗが形成される。この隆起部３ｗは、中央の層厚さＤ_１に比べて増加させられた厚さＤ_２で特徴づけてある。

第２のプロセスステップでは、接合層３で被覆されたウェーハ２が、接合装置内に搬送され、保持装置１、特にサンプルホルダ（接合チャック）に降下させられる。接合層３には、基板２に接合すべき製品基板５（第２のウェーハ）が接触させられる（図２参照）。まず、この製品基板５を層３の表面３ｏから分離した状態に保持し、その後、接合チャンバ（図示せず）に接続された真空装置（図示せず）による接合スペースの完全な排気を行うために、接合チャンバ内に、たとえばスペーサ（図示せず）、いわゆる「フラグ」が使用される。

本発明による後続のステップでは、接合チャンバの閉鎖が行われる。これによって、特に接合チャンバの蓋に取り付けられた加圧プレート６が、製品基板５の上方に位置決めされる。本発明による加圧プレート６は、所定の曲率半径ｒを有する、製品基板５に向けられた凸状の湾曲を備えている。加圧プレート６に対して、図７〜図９に本発明に係る複数の実施の形態が示してある。

図４に示した本発明による第４のプロセスステップでは、製品基板５に本発明による凸状の加圧プレート６が、まず、特に点状の出発ゾーンＡ、好適には正確に製品基板５の中心部で接触させられ、相応して、製品基板５に接合力が加えられる。このプロセスステップでは、加圧プレート６の本発明による凸形状によって、層３の縁ゾーンＲには、（場合によっては、製品基板５の無視できる程度の応力ならびに重量を上回る）さほどの圧力も加えられない。「エッジビード」が存在している場合には、ウェーハ５の中心部に圧力を加えることによって、まず、接合層３の方向への製品基板５の撓みが生じるだけである。

加圧プレート６を、特に法線方向で保持装置１に向かって連続的に相対運動させることによって、縁ゾーンＲに加えられる圧縮荷重がさほど増加することなしに、製品基板５の中心部が接合層３の表面３ｏにますます近づけられる。凸状に湾曲させられた加圧プレート６と製品基板５の外縁部Ｐとの接触によって初めて、接合力による接合層３の縁ゾーンＲへの圧力伝達が行われる。

これは、特に圧力伝達面６ｕの接平面が、この接平面に対して法線方向で少なくとも５ｎｍおよび／または最大で５００μｍだけ、特に少なくとも２０ｎｍおよび／または最大で２００μｍだけ、好適には少なくとも５０ｎｍおよび／または最大で５０μｍだけ、より好適には少なくとも１００ｎｍおよび／または最大で５μｍ、間隔を置いて配置されている場合の形態である。好ましくは、加圧プレート６は、特に隆起部３ｗの高さの測定後、加圧プレート６の周縁部における圧力伝達面６ｕに対する接平面の間隔が、隆起部３ｗの（特に平均的な）高さ（Ｈ＝Ｄ_２−Ｄ_１）に相当するように選択されるかまたは調整される。

「エッジビード」が存在していない形態では、製品基板５が接合層３に平らに載置され、加圧プレート６から製品基板５への力導入および力伝達が、製品基板５の前もった撓みなしに行われる。

更なる圧力増加によって、加圧プレート６のますます大きな部分が製品基板５に接触し、したがって、接近の進行時に力を被加圧面５ｏ全体にわたって分配する。

もっとも、両形態では、中心部の材料が縁部の材料よりも激しく流動することが防止される。中心部の材料の流動性の低減は、この中心部の材料の流動性が、半径方向では、より外側に位置する材料によって妨げられ、法線方向では、加圧プレート６によって妨げられることによって説明がつく。言い換えると、まず、被加圧面５ｏの中心部に相応の力が加えられるので、確かに、所定の力が伝達される。しかしながら、この力は、中心部の材料をさほど流動させない。この時点では、縁部はまだ決して流動させられていない。なぜならば、相応の力が、まだ被加圧面５ｏ全体にわたって分配されていないからである。

本発明によるプロセスフローによって、ほぼ完全に平滑にされた表面３ｏ’が形成される。この表面３ｏ’は、もはや隆起部３ｗを有していないのと同時に、早期にかつコントロールされずに押し退けられる材料も縁部に有していない。層３’の、凸状の加圧プレート６により形成された凹状のネガ面は、処理されていない接合層３と比較して、平坦度の、極端に少ないとは言わないまでも、小さな偏差を有している。しかしながら、この平坦度の偏差は、本発明による加圧プレート６の極めて大きな曲率半径ｒに基づき無視することができ、後続のプロセス処理に対して実際に重要とならない。なぜならば、特に接合層３の本発明によるレベリングの利点が凌駕しているからである。

引き続き、図７〜図９により、加圧プレート６の複数の実施の形態を以下に明らかにする。

３つの全ての実施の形態には、複数の構成部材：つまり、
・圧力伝達面６ｕを有する下側のプレート９と、
・この下側のプレート９を、外縁部Ｐの領域に設けられた位置決め手段８を介して保持／位置決めするための保持プレート４と
から成る加圧プレート６の構成が共通している。

第１の実施の形態では、加圧プレート６が、すでに凸状に成形され、その上面９ｏで位置決め手段８を介して保持エレメント４に結合される。

第２の実施の形態では、上面９ｏで位置決め手段８によって保持プレート４に結合された平らな下側のプレート９が、特に剛性的な保持プレート４よりも可撓性に形成されていることにより、スペーサ７によって相応の凸形状にもたらされる。スペーサ７は、好適には円形である。スペーサ７は、５ｍｍ未満、好適には１ｍｍ未満、より好適には１００μｍ未満、さらに好適には１μｍ未満、最も好適には１００ｎｍ未満の厚さを有している。

第３の実施の形態では、表面９ｏで位置決め手段８を介して保持エレメント４に結合された下側のプレート９の中心部に圧力を加えるために、撓めエレメント１０が使用される。加圧プレート６の中心部に撓め圧を加えることによって、加圧プレート６の凸状の曲率を連続的に変えることができるかまたは一回調整することができる。好適には、加圧プレート６の弾性は、撓めエレメント１０の取除きによる加圧プレート６の中心部の弛緩時に、この加圧プレート６が平らな出発位置に自動的にスプリングバックする程度の大きさに設定されている。本発明によれば、撓めエレメント１０が下側のプレート９に結合されていて、加圧プレート６の曲率半径の相応のアクティブ制御を可能にする相応の実施の形態が可能である。

１ 保持装置
２ 基板
３ 接合層
３ｏ，３ｏ’ 表面
３ｗ 隆起部
４ 保持プレート
５ 製品基板
５ｏ 被加圧面
６ 加圧プレート
６ｕ 圧力伝達面
６ｏ 上面
７ スペーサ
８ 位置決め手段
９ 下側のプレート
１０ 撓めエレメント
Ａ 出発ゾーン
Ｄ_１，Ｄ_２ 厚さ
Ｒ 縁ゾーン
Ｐ 外縁部
ｒ 曲率半径
Ｈ 高さ
Ｚ 中心部

Claims (10)

1. 第１の基板（２）に第２の基板（５）を接合する装置において、該装置が、以下の特徴：すなわち、
   接合層（３）によりコーティングされた第１の基板（２）と、接合層（３）に載せられた第２の基板（５）とを保持する保持装置（１）と、
   第２の基板（５）の、接合層（３）と反対の側の被加圧面（５ｏ）に、該被加圧面（５ｏ）の縁ゾーン（Ｒ）よりも内側に位置する出発ゾーン（Ａ）を起点として被加圧面（５ｏ）全体に加えられるまで、接合力を加える加圧装置と：
   を備えていることを特徴とする、第１の基板に第２の基板を接合する装置。
2. 加圧装置が、凸状に湾曲させられた圧力伝達面（６ｕ）を備えた加圧プレート（６）を有している、請求項１記載の装置。
3. 圧力伝達面（６ｕ）の接平面が、該接平面に対して法線方向で少なくとも５ｎｍおよび／または最大で５００μｍだけ、特に少なくとも２０ｎｍおよび／または最大で２００μｍ、好適には少なくとも５０ｎｍおよび／または最大で５０μｍだけ、より好適には少なくとも１００ｎｍおよび／または最大で５μｍ、間隔を置いて配置されている、請求項２記載の装置。
4. 出発ゾーン（Ａ）が、被加圧面（５ｏ）に対して同心的に配置されている、請求項１から３までのいずれか１項記載の装置。
5. 加圧装置が、接合力を制御装置により制御して加えるポンチを有している、請求項１から４までのいずれか１項記載の装置。
6. 加圧プレート（６）が、圧力伝達面（６ｕ）を有する下側のプレート（９）と、加圧プレート（６）を、特に外縁部（Ｐ）の領域で位置決め手段（８）を介して位置決めする保持プレート（４）とから形成されている、請求項２記載の装置。
7. 下側のプレート（９）が、出発ゾーン（Ａ）の領域で外縁部（Ｐ）よりも肉厚に形成されている、請求項６記載の装置。
8. 出発ゾーン（Ａ）の領域で下側のプレート（９）と保持プレート（４）との間にスペーサ（７）が配置されている、請求項６記載の装置。
9. 出発ゾーン（Ａ）の領域で保持プレート（４）に対して下側のプレート（９）に撓め圧を加える、特に制御装置により制御される、圧力伝達面（６ｕ）の曲率を調整する撓めエレメント（１０）が配置されている、請求項６記載の装置。
10. 第１の基板（２）に第２の基板（５）を接合する方法において、該方法が、以下のステップ、特に以下の順序：すなわち、
    接合層（３）によりコーティングされた第１の基板（２）と、接合層（３）に載せられた第２の基板（５）とを保持する保持装置（１）と、
    第２の基板（５）の、接合層（３）と反対の側の被加圧面（５ｏ）に、該被加圧面（５ｏ）の縁ゾーン（Ｒ）よりも内側に位置する出発ゾーン（Ａ）を起点として被加圧面（５ｏ）全体に加えられるまで、接合力を加える加圧装置と：
    を備えていることを特徴とする、第１の基板に第２の基板を接合する方法。

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