JP5704783B2 - ウエハをボンディングするための処理及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、請求項１及び８のプリアンブルにおける処理及び装置に関する。

シリコンウエハまたは半導体基板（以下、基板）のボンディングにおいては、従来（ボンディング処理に応じて）平坦な円板状に構成された２つの基板は、さらなる作業工程の前に、例えば接着剤（ＢＣＢ、金属、ハンダ）のようなボンディング層を用いるか、またはボンディング層を用いずに（ＳＯＴボンディングまたはＳＤＢボンディングまたはアノードボンディングによって）互いにボンディングされる。

必要な加圧工程並びに必要な加熱及び冷却工程のため、金属または金属合金製の硬い保持プレートまたは加圧プレートが、これまでに基板を互いにボンディングすることに用いられている。

本明細書の文脈において、基板は、処理チャンバ内の下側の保持プレート上にローディングされる。処理チャンバが閉じられた後、（ボンディング処理に応じて）処理チャンバは、真空排気され、適切な場合に窒素が充填され、そしてウエハの所定のドウェル時間（dwell time）に亘って、所定の圧力プログラム及び温度プログラムの組み合わせを実行する。

そして、チャンバはアンローディング温度（通常２０から３００℃の間）まで冷却され、上側の加圧プレートが上昇することで、ボンディングされた基板が取外し可能となる。

この処理において、従来これを介して加熱が行われる上側の加圧プレートと、同様に加熱要素を包含する下側の保持プレートとは、基板との接触を維持している。温度（加熱及び冷却）の変化と併用する接触力の付与は、基板の欠陥及び汚染を引き起こす。したがって、加圧プレートまたは保持プレートの接触面と比較して基板の熱膨張が異なるため、例えば傷が基板の裏面（他方の特定の基板から外方を向く面）に形成される。

さらに、粒子（particles）が加圧プレートまたは保持プレートから基板に移動する場合がある。

基板は、激しい接触が基板への金属イオンの原子的移動をもたらすため、保持プレート及び／または加圧プレートに含まれる金属イオンによりさらに汚染される。

特に、圧力をかけた状態でウエハ間の任意的なボンディング層の硬化の際に、応力がボンディング層に発生し、この応力が１及び／または複数の基板にμｍの範囲での構造歪みを生じさせる場合がある。

傷や粒子のため、基板をさらに処理ライン内（クリーンルーム内）で使用可能とするために、ボンディング工程に続いて高価なクリーニング（オーバーエッチング）がしばしば必要となる。

金属イオンは、次のオーブン工程で半導体結晶内に拡散可能となり、逆に半導体としてのその特性に影響を与える。

したがって、本発明は、傷及び汚染をできる限り回避したウエハ用の極めて緩やかに作動する装置（gently operating device）及び対応する処理を提供することを目的として基づいている。

この目的は、装置に関する請求項１の特徴及び処理に関する請求項８の特徴により達成される。

本発明の有利なさらなる態様は、従属項に記載されている。

本発明の基本的な考えは、より軟質であるが耐熱性を有する材料、または複数の基板または複数の基板の１つ、特にウエハまたは半導体基板と同等の熱膨張係数を有する材料から、半導体基板またはウエハへの圧力接触面を構成することにより、上記の不利点を回避することである。

特にＴｉ（チタン）またはＭｏ（モリブデン）の化学元素からなる硬質の金属合金が上述した損傷に対して敏感であり、そのような損傷をチタン及びモリブデンを実質的に含有していない材料によって都合よく避けられることがわかる。

しばしば行われるボンディング工程に続く裏面薄化(reverse thinning)工程のため、２枚のウエハの一方の側のみを保護すれば十分となる。というのも、裏面薄化される他方の側は、いかなる場合においても裏面薄化工程の際に傷または汚染がなくなるからである。

圧力付与手段として用いることができるのは、好ましくはアクチュエータであるが、上側及び／または下側の加圧プレートの裏側における圧空積層を用いた薄膜構造体も用いることができる。

少なくとも基板接触面において上側の加圧プレート及び／または下側の加圧プレートがＣａ（カルシウム）、Ｃｒ（クロム）、Ｃｕ（銅）、Ｆｅ（鉄）、Ｋ（カリウム）、Ｍｎ（マンガン）、Ｎａ（ナトリウム）、Ｎｉ（ニッケル）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｖ（バナジウム）及びＺｎ（亜鉛）の化学元素を実質的に含有していない場合に、さらなる効果が得られる。

上側の加圧プレートの基板接触面及び／または下側の加圧プレートの基板接触面がＣａ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｋ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎａ、Ｎｉ及びＴｉの化学元素のそれぞれが、５０×１０^１０ａｔｏｍ／ｃｍ^２未満、好ましくは５×１０^１０ａｔｏｍ／ｃｍ^２ 未満であり、かつ、Ａｌ、Ｖ及びＺｎの化学元素のそれぞれが、２０×１０^１１ａｔｏｍ／ｃｍ^２ 未満、好ましくは１×１０^１１ａｔｏｍ／ｃｍ^２ 未満である材料で形成される場合に、さらなる改良が達成される。

少なくとも１つの基板接触面が少なくとも実質的に、好ましくは完全に金属イオンがないことが、特に有利である。

上側及び／または下側の加圧プレートが特に基板接触面と接触している基板と同一のベース材料で形成されると、対応する加圧プレート及びこれと接触している基板は温度が変化すると均等に膨張し、このため傷及び粒子の堆積が回避可能となる。

上側及び／または下側の加圧プレートは、特にプラスチック、好ましくはＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）及び／またはＰＥＥＫ（ポリエチルエーテルケトン）及び／またはＰＶＡ（ポリビニルアルコール）またはＰＥ（ポリエチレン）などのポリマー、または好ましくはバイトン（フルオロエラストマ、デュポンパフォーマンスエラストマー社の登録商標）及び／またはカルレッツ（ペレフルオロゴム、デュポンパフォーマンスエラストマー社の登録商標）などのエラストマで有利に形成可能である。構造及び軟性のため、基板上に適切に構成された加圧プレートからの傷と材料の堆積及び汚染とが回避される。

少なくとも１つの加圧プレートがプラスチックで形成されている場合、本発明における装置内で、基板を、１００℃を超える温度、特に２５０℃から３００℃の間、好ましくは２７５℃から２８５℃の間の温度で加熱し、同時に、特に５００Ｎから８００００Ｎで加圧することで行われ、そして、本発明における装置内の加圧プレート上でのプラスチックへの損傷を避けるため、さらなる装置内で、特に加圧しない状態で、３００℃を超えるまで加熱することで行うことは、有利である。したがって、本発明における装置内でのドウェル時間が低減し、さらなる装置内に限定して熱をかけることで汚染及び傷が回避される。処理の過程は、処理のさらなる最適化に導く２つの装置に応じて分けられる。

特定の処理温度まで接触力を付与せずに予備ボンディングされた基板を完全に硬化させるためのさらなる装置においては、半導体産業において知られている外部オーブン（external ovens）が使用可能である。

有利には基板は、最終的にそこで硬化されるべく、ボンディング温度で処理チャンバから外部オーブン内へ持ち込まれ、この結果、ボンディング層に導入された応力を最終処理の間に除去することができる。

上側の加圧プレートが基板と同様のベース材料から構成される場合、材料との接触は、有利に回避され、好ましくは同一基板の均一な熱膨張により、傷が実質的に除外される。材料の移動は、同一材料を用いることで無害となる。

この場合、上側の加圧プレートもまた、各ボンディング操作に対して変更可能であり、再利用のために利用可能な半導体製造方法を用いて清浄可能となる。

本発明のさらなる有利点及び適切な実施形態は、従属請求項、発明の詳細な説明及び図面に記述されている。

唯一の図面は、基板１及び２をローディング、アンローディングするための図示しない開口部と、処理に必要であって図示しないさらなる連結部を有する処理チャンバ１０を示している。この連結部の上側には、基板１及び２に押圧力Ｆをかけるためのアクチュエータ９が設けられている。

押圧力Ｆは、加熱コイル４及び上側の加圧プレート６を有する上側の加熱手段８を介して上端に重ねられた基板に伝達される。

対応する反発力は、処理チャンバ１０基材上に位置する加熱手段７及び加熱手段７上に重ねられた下側の加圧プレート５を介して下側の加圧プレート５上に支持された基板２に伝達される。基板１、２は、ここで（任意の）ボンディング層３によりボンディングされる。下側の加熱手段７は、下側の基板２を加熱するための加熱コイル４’を有している。

上側の加圧プレート６がプラスチックで構成されている場合、基板は、処理チャンバ１０内で３００℃未満の最大温度まで加熱され、その後基板１、２は、図示しないロボットアームにより下側の加圧プレート５上に重ねられ、上側の加圧プレート６は、上側の基板１に接触し、上側の基板１に１０Ｎから１０００Ｎの間で低い初期押圧力Ｆをかける。大部分のボンディング処理においては、この温度で、ボンディング層３の予備硬化が起きる。特定のボンディング処理に応じて、ドウェル時間は、１分から６０分、特に１０分から３０分の間とされている。

このようにして予備ボンディングされた基板１、２は、実質的にアンローディングされ、接触力を印加しない外部のオーブン内で３００℃を超える最終処理温度で完全に硬化され、したがって金属イオンと接触しない。このような「クリーンオーブン(clean oven)」は、半導体製造において広く用いられている。

ウエハは、処理チャンバから外部のオーブンに予備ボンディング温度で移送されるが、室温までの中間冷却をしてもよい。

また、基板１、２の裏面が保護される場合、下側の加圧プレート５は、プラスチックで構成可能である。

本発明のさらなる実施形態において、基板１、２のようなさらなる基板が上側の加圧プレート６として基板１、２と共に処理チャンバ１０内に積み入れられる。また、基板２の裏面を保護するため、下側の加圧プレート５に変えて基板１、２と同一のベース材料からなるさらなる基板を挿入可能である。

この実施形態は、上側及び／または下側の加圧プレート５、６が破損なく必要な温度及び圧力に耐えるため、処理チャンバ内で基板１、２が完全に硬化可能であることと、基板１、２に関して均一な膨張によって傷及び汚染が回避されることとの有利点を有する。

工程の過程は、以下に従って表される。：
− ２枚の基板１、２、基板１、２を互いに固定するボンディング層３及び上側の加圧プレート６として基板１の上に積み入れられるさらなる基板を積み入れる工程。
− 処理チャンバ１０を閉じる工程。
− 図示しない真空ラインを介して処理チャンバ１０内を真空にする工程。
− 上側の加圧プレート６上に力が１０Ｎから１０００Ｎとなるように加熱手段８を降下する工程。
− 例えば３５０℃のボンディング温度まで加熱する工程。
− アクチュエータ９により１０００Ｎから８００００Ｎの間のボンディング力で上側の加熱手段８を押圧する工程。
− １分から６０分、特に１０分から３０分のドウェル時間の間、温度及び押圧を保持する工程。
− ２０℃から３００℃の間の搬出温度まで冷却する工程。
− アクチュエータ９により上側の加熱手段８を上昇させる工程。
− ボンディングされた基板１及び２を積み出す工程。

また、加熱手段７、８は、搬出温度までの冷却を早くできるように、加熱及び冷却手段を一体化した構成としてもよい。

本発明における装置を示す側断面図である。

符号の説明

１，２ 基板
３ ボンディング手段（ボンディング層）
４，４’ 加熱コイル
５ 下側の加圧プレート
５ｏ，６ｏ 基板接触面
６ 上側の加圧プレート
７，８ 加熱手段
９ アクチュエータ
１０ 処理チャンバ

Claims (9)

1. 少なくとも２枚の半導体基板（１、２）をボンディングするための装置であって、
   ａ）前記半導体基板（１、２）を保持し、圧力及び熱を前記半導体基板（１、２）に伝達するための下側の加圧プレート（５）と、
   ｂ）前記下側の加圧プレート（５）に対向して前記下側の加圧プレート（５）の上側に配置され、圧力及び熱を前記半導体基板（１、２）に伝達するための上側の加圧プレート（６）と、
   ｃ）前記半導体基板（１、２）を、１００℃を超える温度まで加熱するために、前記下側の加圧プレート（５）の基板接触面（５ｏ）とは反対側及び前記上側の加圧プレート（６）の基板接触面（６ｏ）とは反対側にそれぞれ配設された加熱手段（７、８）と、
   ｄ）前記下側の加圧プレート（５）および／または上側の加圧プレート（６）に１０００Ｎよりも高い押圧力Ｆをかけるための圧力付与手段（９）と、
   を有し、
   前記上側の加圧プレート（６）および／または前記下側の加圧プレート（５）は、前記半導体基板（１、２）を向く少なくとも１つの前記基板接触面（５ｏ、６ｏ）において、Ｔｉ及びＭｏの化学元素を実質的に含有しておらず、前記基板接触面（５ｏ、６ｏ）が前記半導体基板（１、２）の全体にわたって接触しており、
   前記半導体基板（１、２）がボンディングされる間に、前記下側の加圧プレート（５）または上側の加圧プレート（６）によって一方向のみの押圧力Ｆがかけられていることを特徴とする装置。
2. 前記上側の加圧プレート（６）および／または下側の加圧プレート（５）は、少なくとも前記基板接触面（５ｏ、６ｏ）において、Ｃａ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｋ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎａ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｖ、Ｚｎ及びＴｉの化学元素を実質的に含有していないことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記基板接触面（６ｏ）および／または前記基板接触面（５ｏ）は、Ｃａ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｋ、Ｍｎ、Ｍｏ、Ｎａ、Ｎｉ及びＴｉの化学元素のそれぞれが、５０×１０ ^１０ ａｔｏｍｓ／ｃｍ ^２ 未満であり、かつ、Ａｌ、Ｖ及びＺｎの化学元素のそれぞれが、２０×１０ ^１１ ａｔｏｍｓ／ｃｍ ^２ 未満で作製されていることを特徴とする請求項１または２に記載の装置。
4. 前記基板接触面（６ｏ）および／または前記基板接触面（５ｏ）は、少なくとも実質的に金属イオンを含有していないことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の装置。
5. 前記上側の加圧プレート（６）および／または下側の加圧プレート（５）は、前記半導体基板（１、２）と実質的に同一の熱膨張係数を有することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の装置。
6. 前記上側の加圧プレート（６）および／または下側の加圧プレート（５）が、特定の前記基板接触面（５ｏ、６ｏ）と接触している前記基板（１、２）と同一のベース材料で形成されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の装置。
7. 請求項１から６のいずれか１項に記載の装置を用いて、少なくとも２枚の前記半導体基板（１、２）をボンディングするための方法であって、
   ａ）前記上側の加圧プレート（６）及び前記下側の加圧プレート（５）の間に前記半導体基板（１、２）を導入する工程と、
   ｂ）前記上側の加圧プレート（６）上にかかる力が１０Ｎから１０００Ｎとなるように、前記上側の加圧プレート（６）の前記基板接触面（６ｏ）とは反対側の前記加熱手段（８）を降下する工程と、
   ｃ）前記加熱手段（７、８）を用いて前記半導体基板（１、２）を３５０℃の温度まで加熱する工程と、
   ｄ）前記圧力付与手段（９）により前記半導体基板（１、２）に１０００Ｎから８００００Ｎの間の押圧力Ｆをかける工程と、
   を有し、
   前記基板接触面（５ｏ、６ｏ）が前記半導体基板（１、２）の全体にわたって接触しており、
   前記半導体基板（１、２）がボンディングされる間に、前記下側の加圧プレート（５）または上側の加圧プレート（６）によって一方向のみの押圧力Ｆがかけられていることを特徴とする方法。
8. 前記押圧力Ｆを保持する工程が、１分から６０分の間の継続時間で実行されることを特徴とする請求項７に記載の方法。
9. 前記押圧力Ｆを保持する工程が、１０分から３０分の間の継続時間で実行されることを特徴とする請求項７に記載の方法。