KR20210064394A - 기판을 결합하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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마르쿠스 빔플링거
폴 린드너
토마스 플라흐
플로리안 쿠르츠
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에베 그룹 에. 탈너 게엠베하
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Abstract

본 발명은 기판(3, 8)의 접촉 표면(3k, 8k) 위에서 제2 기판(8)에 제1 기판(3)을 결합하기 위한 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은: 제1 수용 장치(1)의 제1 수용 표면(2o) 위에 제1 기판(3)을 수용하고 제2 수용 장치(4)의 제2 수용 표면(2o') 위에 제2 기판(8)을 수용하는 단계; 결합 개시 지점(20)에서 접촉 표면(3k, 8k)을 접촉시키는 단계; 및 결합 개시 지점(20)으로부터 기판(3, 8)의 측면 에지(3s, 8s)로 이동하는 결합파를 따라 제2 기판(8)에 제1 기판(3)을 결합시키는 단계를 포함한다. 상기 방법에 따르면, 제1 기판(3) 및/또는 제2 기판(8)은 결합 공정 동안 및/또는 결합 공정 전에 접촉 표면(3k, 8k)을 결합 개시 지점(20) 외측에 정렬하기 위하여 변형되는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명은 이에 상응하는 장치에 관한 것이다.

Description

기판을 결합하기 위한 방법 및 장치{DEVICE AND METHOD FOR BONDING SUBSTRATES}
본 발명은 청구항 제1항에 따른 제1 기판을 제2 기판에 결합하기 위한 방법 및 청구항 제10항에 따른 이에 상응하는 장치에 관한 것이다.
마이크로 전자장치 및 마이크로시스템의 거의 모든 분야에 있어서 최근의 최소형화(miniaturization)로 인해 모든 기술들이 지속적으로 개발되는데, 이 기술을 이용하여 기판 상에 있는 모든 타입의 기능 유닛(functional unit)의 밀도가 증가될 수 있다. 이러한 기능 유닛들은 예를 들어, 마이크로컨트롤러, 메모리 구성요소, MEMS, 모든 타입의 센서 또는 마이크로유체 구성요소들을 포함한다.
이러한 기능 유닛들의 가로방향 밀도(lateral density)를 증가시키기 위한 기술은 최근에 급속하게 향상되어왔다. 하지만, 마이크로 전자장치 또는 마이크로시스템 엔지니어링의 몇몇 분야에서, 이제까지는, 기능 유닛들의 가로방향 밀도를 더 증가시키는 것이 가능하지 않았었다. 마이크로칩 생산에서, 리소그래피 방식으로 제작되어야 하는 구조(structure)에 대해 최대 구현가능한 해상도(resolution) 한계는 구현할 수 있는 최대였다. 따라서, 수년 안에는, 물리적 또는 기술적 한계로 인해, 기능 유닛의 가로방향 밀도를 증가시키도록 허용하지 않을 것이다. 업계는 2.5D 및 3D 기술의 발전에 의해 수십 년 동안 이러한 문제점들을 해결하려고 노력하여 왔다. 이러한 기술들을 이용하여, 동일하거나 심지어 서로 다른 타입의 기능 유닛들을 서로에 대해 정렬시키고, 서로 상하로 적층시키며, 서로 영구적으로 결합시키고, 상응하는 인쇄 회로에 의해 이것들을 서로 네트워킹 시키는(network) 것이 가능하다.
이러한 구조를 실현하기 위한 핵심 기술 중 하나는 영구 결합(permanent bonding)이다. 영구 결합은 기판이 고 에너지 발생 및 이와 관련되어 기판의 파괴(destruction)에 의해서만 분리될 수 있도록 기판이 서로 결합될 수 있게끔 사용되는 모든 방법들로 정의된다. 영구 결합에는 서로 다른 타입의 영구 결합 방법이 있다.
가장 중요한 영구 결합 방법 중 하나는 직접 결합 또는 분자 결합으로도 지칭되는 융합 결합(fusion bonding)이다. 융합 결합은 공유결합연결(covalent connection) 배열을 통해 두 기판을 영구적으로 결합하는 공정으로 정의된다. 융합 결합은 주로 비금속-무기 재료의 표면 상에서 형성된다.
기본적으로, 사전결합(prebond) 및 실제 영구 결합은 구분되어야 한다. 사전결합은 두 표면이 서로 접촉할 때 동시에 형성되는 표면 연결로서 정의되는데, 이러한 결합 강도(bonding strength)는 그 후의 열처리(heat treatment)에 의해 형성되는 영구 결합의 결합 강도보다 더 작다. 하지만, 사전결합에 의해 야기되는 결합 강도는 기판을 서로 움직이지(shift) 않고도 두 기판을 이동시키기에(transport) 충분하다. 따라서, 두 기판 사이의 결합 강도가 적층 기판(substrate stack)을 쉽게 이동시키기 충분할 수 있다 하더라도, 결합 강도는 매우 낮아서 특정 장치를 사용하면 두 기판이 비-파괴 방식으로 반복적으로 분리될 수 있다. 이는, 사전결합 후에, 두 구조(structure)의 구성이 측정될 수 있으며, 그들의 상대적 위치, 비틀림(distortion) 및 배열방향(orientation)이 결정될 수 있다는 주된 이점을 가진다. 측정 공정 동안, 오정렬(faulty orientation) 및/또는 구조의 국부적인(local) 및/또는 전체적인 비틀림이 존재하거나 혹은 경계면(interface) 내에 입자(particle)가 존재하는 경우, 이에 따라 적층 기판은 다시 분리되고 재처리될 수 있다. 성공적이며 대부분 승인된 사전결합 후에, 열처리 공정에 의해 영구 결합이 형성된다. 열처리 공정 동안, 두 기판의 표면 연결은 열에너지를 공급함으로써 화학적 및/또는 물리적으로 강화된다(strengthening). 이러한 영구 결합은 두 기판의 비-파괴적 분리가 더 이상 가능하지 않다는 측면에서 비가역적이다(irreversible). 이에 따라, 사전결합과 영구 결합은 더 이상 명시적으로 구분지어 질 수 없지만 일반적으로는 오직 하나의 결합 만이 존재한다.
가장 일반적인 융합 결합은 실리콘 및 실리콘 옥사이드(silicon oxide) 기판 위에서 수행된다. 실리콘은 반도체적 성질로 인해 마이크로 전자장치 구성요소, 가령, 마이크로칩 및 메모리 생산에서 베이스 재료(base material)로서 사용된다. 우수하게 폴리싱된(polished) 금속 표면 사이에서 소위, 직접 결합(direct bond)도 형성될 수 있다. 이 결합 성질은 융합 결합의 결합 성질과 상이하지만, 결합파(bonding wave)를 진행(advancing)시킴으로써 두 표면들이 서로 접촉할 수 있는 메커니즘은 동일한 물리 법칙으로 기술될 수 있다. 또한, 소위 하이브리드 결합(hybrid bond)에 의해 두 하이브리드 표면(hybrid surface)을 결합시키는 것도 고려해 볼 수 있다. 하이브리드 표면은 2개 이상의 서로 다른 재료로 구성된 표면으로 정의된다. 두 재료 중 하나는 일반적으로 작은 공간에 제한되며 제2 재료는 제1 재료를 둘러싼다(surround). 예를 들어, 금속 접촉(metal contact)은 유전체(dielectrics)에 의해 둘러싸인다. 하이브리드 결합이 두 하이브리드 표면의 결합에 의해 형성될 때, 결합파(bonding wave)는 주로 융합 결합에 의해 유전체 사이에서 진행되며(driven), 금속 접촉은 결합파에 의해 자동적으로 만난다(meet). 유전체 및 저-k 재료(low-k material)의 예는:
- 비-실리콘계:
폴리머, 가령, 폴리아미드, 아로마 폴리머(aromatic polymer), 패럴린, PTFE;
비결정질 탄소(amorphous carbon);
- 실리콘계:
실리케이트계, 가령, TEOS (테트라에틸 오르도실리케이트), SiOF, SiOCH, 글라스(보로실리케이트 글라스, 알로미노실리케이트 글라스, 리드 실리케이트 글라스, 알카리실리케이트 글라스 등);
일반, 가령, Si3N4, SiC, SiO2, SiCN;
실세스스퀴옥산, 가령, HSSQ, MSSQ이다.
두 기판의 영구 결합에 있어서 가장 큰 기술적 문제점 중 하나는 개별 기판들 사이의 기능 유닛들의 정렬 정밀성(alignment accuracy)이다. 기판이 정렬 시스템에 의해 서로에 대해 매우 정밀하게 정렬될 수 있음에도 불구하고, 결합 공정 동안, 기판의 자체적인 비틀림(distortion)이 발생할 수 있다. 이런 방식으로 발생되는 비틀림으로 인해, 기능 유닛들이 반드시 모든 위치에서 서로 정확하게 정렬되지 않는다. 기판 상의 특정 지점에서 정렬 정밀도는 비틀림, 스케일링 오류(scaling error), 렌즈 오류(확대 또는 축소 오류) 등의 결과일 수 있다. 반도체 산업에서, 이러한 문제점들에 관한 모든 주제들은 용어 "오버레이(overlay)" 하에 포함된다. 이런 주제에 상응하는 개론은 가령 예를 들어 Mack, Chris. Fundamental Principles of Optical Lithography - The Science of Microfabrication. WILEY, 2007, Reprint 2012에서 찾아볼 수가 있다.
각각의 기능 유닛은 실제 생산 공정(production process) 전에 컴퓨터로 설계된다. 가령, 예를 들어, 인쇄 회로, 마이크로칩, MEMS, 혹은 마이크로시스템 기술을 사용하여 생산될 수 있는 그 외의 다른 임의의 구조가 CAD(컴퓨터-보조 디자인)으로 설계된다. 하지만, 기능 유닛들의 제작 동안, 컴퓨터 상에서 설계되는 이상적인 기능 유닛과 청정 공간에서 제작되는 실제 기능 유닛 간에 편차(deviation)가 존재한다는 것이 밝혀졌다. 그 차이는 주로 하드웨어의 한계 따라서, 엔지니어링 문제점 때문이지만 매우 종종 물리적인 한계 때문일 수도 있다. 따라서, 포토리소그래피 공정(photolithographic process)에 의해 제작되는 구조의 해상도 정밀도(resolution accuracy)는 사용되는 광(light)의 파장(wavelength)과 포토마스크(photomask)의 구멍(aperture) 크기에 의해 제한된다. 마스크 비틀림(mask distortion)은 레지스트(resist) 내로 직접 전달된다. 기계장치의 선형 모터(linear motor)는 주어진 허용오차(tolerance) 내에서 재형성 위치(reproducible position)에만 접근될 수 있다. 따라서, 기판의 기능 유닛들이 컴퓨터-기반 구조와 정확하게 동일할 수 없다는 사실은 놀라운 것이 아니다. 따라서, 모든 기판들은 결합 공정 전의 이상적인 상태로부터 무시하지 못하는 편차(deviation)를 이미 갖고 있다.
두 기판 중 어느 기판도 결합 공정에 의해 비틀리지 않는다는 가정 하에서, 두 기판의 서로 맞은편에 있는 두 기능 유닛들의 위치 및/또는 형태를 비교하면, 일반적으로 기능 유닛들이 불완전하게 일치하는데, 그 이유는 위에서 언급한 오류들에 의해 이상적인 컴퓨터 모델로부터 벗어나기 때문이다. 가장 빈번한 오류는 도 8에 도시된다(http://commons.wikimedia.org/wiki/File: Overlay - typical model terms DE.svg 24.05.2013 and Mack, Chris. Fundamental Principles of Optical Lithography - The Science of Microfabrication. Chichester: WILEY, p. 312, 2007, reprint 2012에서 복사함). 도면들에 따르면, 전체적 및 국부적인 대칭 및 비대칭 오버레이 오류는 서로 대략적으로 구분될 수 있다. 전체적인 오버레이 오류가 균질적이며 따라서 지점(site)에 무관하다. 이는 위치에 무관하게 두 맞은편 기능 유닛들 간에 똑같은 편차를 형성한다. 일반적인 전체 오버레이 오류는 서로에 대한 두 기판의 병진운동(translation) 또는 회전운동에 의해 형성되는 오류(I 및 II)이다. 두 기판의 병진운동 또는 회전운동은 그 순간 기판 상에서 반대인(opposite) 모든 기능 유닛들에 대한 상응하는 병진운동 또는 회전운동 오류를 발생시킨다. 국부적인 오버레이 오류는 위치에 따라, 이 경우에서는, 연속적으로 진행되는 결합파(bonding wave)에 의해 주로 야기되는 탄성 및/또는 소성에 의해 발생된다. 위에서 기술된 오버레이 오류들 중에서, 오류(III 및 IV)가 주로 런-아웃 오류(run-out fault)로 지칭된다. 이러한 오류들은 결합 공정 동안 하나 이상의 기판의 비틀림에 의해 주로 발생한다. 또한, 제2 기판의 기능 유닛들에 대해 제1 기판의 기능 유닛들도 하나 이상의 기판의 비틀림에 의해 비틀려진다. 하지만, 결합 공정에 의해 오류(I 및 II)도 발생할 수 있으나, 이러한 오류들은 일반적으로 오류(III 및 IV)에 의해 상당히 오버레이 되어 상당히 어렵게 인식되고 측정될 수 있다.
종래 기술에는, 국부적인 비틀림이 적어도 부분적으로 줄어들 수 있는 시스템이 이미 존재한다. 활성 조절 요소(active control element)의 사용으로 인한 국부 비틀림 문제에 대해 기술된다(WO 2012/083978A1호).
종래 기술에는, 런-아웃 오류의 보정(correction)에 대해 초기 접근법이 존재한다. US 20120077329 A1호는 고정되지 않는 하측 기판에 의해 결합 동안 및 결합 후에 두 기판의 기능 유닛들 사이에서 원하는 정렬 정밀도를 구현하기 위한 방법에 대해 기술하고 있다. 이런 방식으로, 하측 기판에는 경계 조건(boundary condition)이 제공되지 않으며 결합 공정 동안 상측 기판에 자유롭게 결합될 수 있다. 종래 기술에서 중요한 특징은, 일반적으로 진공 장치에 의해 기판을 평평하게 고정시킬(flat fixing) 수 있다는 점이다.
대부분의 경우에서 보다 현저하게 발생되는 런-아웃 오류는 접촉 지점 주위에서 반경 방향으로 대칭으로 발생되며 따라서 접촉 지점으로부터 주변(periphery)로 발생된다. 대부분의 경우, 런-아웃 오류는 선형으로 증가하여 확대된다. 특정 상태 하에서는, 런-아웃 오류가 비-선형적으로 증가할 수도 있다.
특히, 최적 상태 하에서, 런-아웃 오류는 상응하는 측정 장치(EP 2463892호)에 의해서 결정될 수 있을 뿐만 아니라 수학적 함수(mathematical function)들에 의해서도 기술될 수 있다. 런-아웃 오류가 잘 배열된 지점들 간의 스케일링(scaling) 및/또는 병진운동 및/또는 회전운동을 구성하기 때문에, 이들은 벡터 함수(vector function)로 기술되는 것이 바람직하다. 일반적으로, 이러한 벡터 함수는 함수 f: R2 →R2이며, 따라서, 국부좌표계의 2-차원 형성 영역을 런-아웃 벡터의 2-차원 값 범위 위에 형상화하는(image) 이미지 표준(imaging standard)이다. 상응하는 벡터장(vector field)의 정확한 수학적 분석이 수행될 수 없음에도 불구하고, 함수 성질들에 대해 가정이 구현된다. 벡터 함수는 큰 확률 Cn n>=1 함수이며, 따라서 이들은 한번 이상 연속적으로 미분 가능하다(continuously differentiable). 런-아웃 오류가 접촉 지점으로부터 에지(edge)를 향해 증가하기 때문에, 벡터 함수의 발산(divergence)은 아마도 제로(zero)로부터 상이할 것이다. 따라서, 벡터장(vector field)은 소스 필드(source field)일 가능성이 매우 크다.
본 발명의 목적은 특히 기판의 에지(edge)에서 결합 정밀도(bond precision)가 큰 두 기판의 결합을 위한 장치 및 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적은 청구항 제1항 및 제9항의 특징들로 구현된다. 본 발명의 바람직한 변형예들은 종속항들에 제공된다. 본 명세서, 청구항 및/또는 도면들에 제공된 특징들 중 2개 이상의 특징들을 조합한 모든 특징들은 본 발명의 범위 내에 있다. 주어진 값 범위에 대해, 지시된 한계값(limit) 내에 있는 값들은 경계값들로 간주되어야 하며 이들의 임의의 조합도 가능한 것으로 고려되어야 한다.
본 발명은, 두 기판 중 하나 이상의 기판, 바람직하게는 제2 및/또는 하측 기판이 바람직하게는 융합 결합(fusion bonding)에서 결합 공정 전에 및/또는 결합 공정 동안, 특히 결합파(bonding wave)의 이동 동안, 결합 개시 지점(bond initiation site) 외측에 접촉 표면의 정렬을 위해, 특히 단독으로(solely) 변형된다는 개념에 기초한다. 변형(deformation)은 초기 상태, 특히 기판의 초기 기하학적 형상(initial geometry)으로부터 벗어나는(deviate) 상태를 의미한다. 본 발명에 따르면, 결합 공정은, 접촉 표면들이 접촉하고 난 뒤, 특히 제1/상측 기판이 접촉 표면에 떨어지거나 접촉 표면과 분리됨으로써 개시된다. 이에 상응하는 결합 수단은 특히 상기 장치에 따라 제공된다.
초기 상태에서, 기판은, 접촉 표면 위로 돌출하는 임의의 구조물(마이크로칩, 기능 구성요소) 및 기판 허용오차(substrate tolerance), 가령, 굽힘 및/또는 두께 변동에도 불구하고, 일반적으로 특히 한 접촉 표면 위에서 다소 평평하다. 초기 상태에서, 하지만, 대부분의 경우에서, 기판은 0(zero)이 아닌 곡률(curvature)을 가진다. 300 mm의 웨이퍼에 대해서, 50 μm 미만의 곡률이 일반적이다. 수학적 관점에서 바라보았을 때, 곡률이란 평면 상태로부터 곡선(curve)의 국부적인 편차(local deviation)를 위한 측정값으로 고려될 수 있다. 특정 경우에서, 직경에 비해 두께가 작은 기판이 검사된다(examined). 따라서, 우수한 근사화(good approximation)를 위해서는, 평면의 곡률이 중요할 수 있다. 평면의 경우, 앞에서 언급한 평평한 상태(flat state)는 곡률이 검사되는 지점에서의 곡선의 접선 평면(tangential plane)이다. 일반적으로, 바디(body), 특정 경우에서 기판은 균일한 곡률을 가지지 않아서 곡률은 그 지점(site)의 명백한 함수이다. 따라서, 가령 예를 들어 중앙(center)에서 오목한 곡률을 가진 비-평면 기판이 될 수도 있고, 그 외의 다른 지점들에서는, 볼록한 곡률을 가질 수도 있다. 따라서, 가장 단순한 경우, 곡률은 수학자, 물리학자 및 엔지니어에게 알려져 있는 수학적인 깊은 세부내용들로 갈 필요 없이 오목하거나 볼록한 것으로만 기술된다.
특히, 본 발명에 따른 대부분의 실시예들에 대한 개별적인 핵심 개념은, 서로 결합되어야 하는 두 기판의 곡률반경이 기판의 접촉 영역, 따라서, 결합 라인(bond line) 또는 결합파(bonding wave)의 한 결합 전방(bond front) 상에서는 적어도 똑같거나 혹은 서로로부터 적어도 단지 조금만 벗어나 있다는 점이다. 따라서, 기판의 결합 라인/결합 전방 상에서 곡률반경의 차이는 10 m 이하, 바람직하게는 1 m 이하, 더 바람직하게는 1 cm 이하, 가장 바람직하게는 1 mm 이하, 보다 더 바람직하게는 0.01 mm 이하, 그 중에서도 가장 바람직하게는 1 μm 이하이다. 일반적으로, 곡률반경(R1)을 최소화시키는 본 발명의 모든 실시예들이 바람직하다. 달리 말하면, 본 발명은 런-아웃 오류로 지칭되는 국부적인 정렬 오류가 최소가 되도록 두 기판을 서로 결합할 수 있는 시스템 및 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은, 두 기판이 서로에 대해 국부적으로 이동하지(shift) 않도록 따라서 정확하게 정렬되도록 결합파를 형성하는 데 영향을 끼치는 요인들이 선택되게 하기 위하여, 특히 기하학적, 열역학적, 및/또는 기계적 상쇄 메커니즘(compensation mechanism)에 의해, 서로 결합되어야 하는 두 기판을 조절하는 개념에 기초한다. 덧붙여, 본 발명은, 본 발명에 따라 런-아웃 오류가 줄어든, 서로 결합되어야 하는 두 기판으로 구성된 물품(article)을 기술하고 있다.
본 발명에 따른 결합, 특히 영구 결합(permanent bonding), 바람직하게는 융합 결합(fusion bonding)을 특징으로 하는 한 공정은 두 기판의 접촉 지점을 가능한 최대한 중앙에 배열하는 것이다. 일반적으로 두 기판의 접촉은 비-선형적으로 수행될 수 있다. 비-중앙 접촉 지점으로부터 진행되는(propagating) 결합파(bonding wave)는 서로 다른 시간에 기판 에지(substrate edge)의 서로 다른 위치에 도달할 수 있다. 결합파 거동(behavior) 및 그에 따른 런-아웃 오류 상쇄에 대한 완전한 수학적-물리적 기술내용은 이에 상응하게 복잡하다. 하지만, 일반적으로, 접촉 지점이 기판의 중앙으로부터 멀리 떨어져 있지 않으며 이에 따른 효과는 적어도 에지에서만은 무시할 수 있을 것이다. 기판의 중앙과 중앙에 배열되지 않은 접촉 지점 사이의 거리는 100 mm 이하, 바람직하게는 10 mm 이하, 더 바람직하게는 1 mm 이하, 가장 바람직하게는 0.1 mm 이하, 그 중에서도 가장 바람직하게는 0.01 mm 이하이다. 하기 기술내용에서, 접촉은 보통 중앙(center)에서의 접촉을 의미한다. 더 넓은 의미에서의 중앙은 필요 시에 비대칭성(asymmetry)에 의해 상쇄된 이상적인 바디(ideal body)의 기하학적 중앙 지점으로 정의되는 것이 바람직하다. 따라서, 노치(notch)를 가진 상용 웨이퍼에서, 중앙은 노치가 없는 이상적인 웨이퍼를 둘러싸는 원의 중간점이다. 평평 부분(평평한 면)을 가진 상용 웨이퍼에서, 중앙은 평평 부분이 없는 이상적인 웨이퍼를 둘러싸는 원의 중간점이다. 임의의 형태를 가진 기판에도, 이와 비슷하게 고려된다. 특정 실시예들에서, 중앙으로서 기판의 무게중심을 의미하는 것을 사용될 수도 있다. 정확한 중앙의 접촉 지점을 형성하기 위하여, 병진운동에 의해 이동될 수 있는 핀(pin)과 중앙 홀이 제공된 상측의 장착 장치(기판 홀더)에는 반경 방향으로 대칭의 고정 부분(fixing)이 제공된다. 압력을 제공하기 위하여 핀 대신 유체, 바람직하게는 가스를 사용하는 노즐을 사용하는 것도 고려해 볼 수 있다. 게다가, 병진운동에 의해 두 기판을 서로를 향해 이동시킬 수 있는 장치가 제공될 때, 두 기판 중 하나 이상의 기판, 바람직하게는 상측 기판이 중력으로 인해 다른 기판의 방향으로 압축 곡률(impressed curvature)을 가지며 따라서 위에서 언급한 것과 서로에 대한 병진운동 접근 방향으로 제2 기판에 대해 상대적으로 작은 거리에서 자동으로 접촉된다는 가정 하에서, 이러한 구성요소들을 사용하는 것이 완전히 제거될 수 있다(completely abandoned).
반경 방향으로 대칭의 고정 부분은 결부된 진공 홀(vacuum hole), 둥근 진공 립(vacuum lip) 또는 상측 웨이퍼가 고정될 수 있는 이에 상응하는 진공 요소(vacuum element)이다. 정전기 장착 장치를 사용하는 것도 고려해 볼 수 있다. 상측 기판 홀더의 중앙 홀에 있는 핀은 고정된 상측 기판을 조절하여 편향시키기(controllable deflection) 위해 사용된다.
두 기판의 중앙에 접촉을 완료하고 난 후에, 상측 기판 홀더의 고정이 풀려진다(released). 상측 기판은 한 편으로는 중력으로 인해 다른 한편으로는 기판들 사이에서 결합파를 따라 작용하는 결합력(bond force)으로 인해 떨어진다(drop). 상측 기판은 중앙으로부터 측면 에지(side edge)까지 하측 기판에 반경 방향으로 연결된다. 따라서, 본 발명에 따른 특히 중앙으로부터 측면 에지까지 형성되는 반경방향의 대칭 결합파 배열이 형성된다. 결합 공정 동안, 두 기판은 기판들 사이에 존재하는 가스, 특히 공기를 결합파 전방에서 압축시키고(press), 따라서 가스 포함 없이 결합 경계 표면을 위해 제공된다. 상측 기판은 떨어지는 동안 실질적으로 특정 타입의 가스 쿠션(gas cushion) 위에 배열된다.
한 결합 개시 지점에서 결합이 시작되고 난 뒤, 제1/상측 기판은 추가로 고정되지 않으며, 따라서, 결합 개시 지점에서의 고정 없이도 자유로이 이동될 수 있으며 비틀릴 수도 있다. 반경방향 두께에 대해 극소량으로 작은 각각의 원 세그먼트(circle segment)에는 본 발명에 따라 진행되는 결합파, 결합파 전방에서 발생되는 응력 상태(stress state) 및 기존의 기하학적 경계 조건(geometrical boundary condition)에 의해 비틀려질 것이다. 하지만, 기판은 강체(rigid body)를 나타내기 때문에, 비틀림은 중앙으로부터 거리가 멀어질수록 추가된다(add up). 이에 따라 본 발명에 따른 장치 및 방법에 의해 런-아웃 오류가 제거될 것이다.
따라서, 본 발명은 결합 공정 동안 특히 열역학적 및/또는 기계적 상쇄 메커니즘에 의해 두 결합 기판 사이의 런-아웃 오류를 줄이거나 심지어 완전히 제거하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 본 발명에 따른 방법 및 장치로 생산되는 물품(article)을 취급한다.
본 발명의 제1 실시예에서, 제1 기판을 수용하기 위해 수용 또는 장착 표면 상의 제1, 특히 하측 수용 장치 또는 장착 장치는 그라운딩 되거나(ground) 및/또는 폴리싱 되거나(polished) 및/또는 볼록하거나 오목하게 래핑된다(lapped). 장착 장치는 그 위에 고정된 기판이 결합 개시 지점 또는 접촉 지점 방향으로 굽어지도록 볼록하게 그라운딩 되는 것이 바람직하다.
제1 및/또는 제2 수용 표면의 곡률반경은 특히 0.01 m 이상, 바람직하게는 0.1 m 이상, 더 바람직하게는 1 m 이상, 보다 더 바람직하게는 10 m 이상, 가장 바람직하게는 100 m 이상, 그 중에서도 가장 바람직하게는 1000 m 이상이다. 한 특정 실시예에서, 제2/상측 기판의 곡률반경이 작동 수단, 특히 핀에 의해 제2/상측 수용 또는 장착 장치에 의해 형성될 때, 제1/하측 수용 장치의 곡률반경은 동일한 크기, 특히 10의 일 제곱(one power of ten) 범위 내에 있다. 이에 따라 초기 위치가 결합을 위한 기하학적 형상에 대해 대칭이 된다.
제1/하측 수용 표면은, 물리적 비대칭성이 장착 표면 상에서 수직으로 작용하는(acting normally) 중력장(gravitational field)에 의해 보정되고 결합파 전방(bonding wave front)이 항상 동일한 수평면 내에서 이동되도록, 그라운딩 되는(ground) 것이 바람직하다.
제1 및/또는 제2 기판은 반경 방향으로 대칭인 것이 바람직하다. 기판이 임의의 직경을 가질 수 있지만, 웨이퍼 직경은 특히 1 인치, 2 인치, 3 인치, 4 인치, 5 인치, 6 인치, 8 인치, 12 인치, 18 인치 또는 18 인치 이상이다. 제1 및/또는 제2 기판의 두께는 1 μm 내지 2000 μm 사이, 더 바람직하게는 10 μm 내지 1500 μm 사이, 보다 더 바람직하게는 100 μm 내지 1000 μm 사이인 것이 바람직하다.
특정 실시예들에서, 기판은 직사각형 형태 또는 적어도 둥근 형태로부터 벗어난 형태를 가질 수 있다. 이제부터는, 기판이 특히 웨이퍼(wafer)로서 정의된다.
하측/제1 장착 장치의 제2 실시예에서, 하측/제1 장착 장치의 곡률반경은 조절가능하다. 특히 단순한 실시예에서, 하측 장착 장치는 원하지 않은 외부 영향에 의해 변형될 수 없도록 충분히 두껍지만 그 밑에 작용하는 조절 힘에 의해 볼록 또는 오목한 형태가 되기에 충분히 얇게 제작되는 지지 플레이트(support plate)를 가진다. 특히, 상기 지지 플레이트는 10-7 Nm2 이상, 바람직하게는 10-3 Nm2 이상, 더 바람직하게는 1 Nm2 이상, 보다 더 바람직하게는 103 Nm2 이상, 그 중에서도 가장 바람직하게는 107 Nm2 이상의 굽힘 강성을 가진다. 본 발명의 한 실시예에 따르면, 하측/제1 장착 장치의 특히 내측 부분은 공압 및/또는 유압 및/또는 압전 방식으로 수축되거나 및/또는 팽창될 수 있는 고-탄성 막(highly elastic membrane)으로 구성되는 것이 바람직하다. 공압 및/또는 유압 및/또는 압전 요소들은 균일하게 분포되고(uniformly distributed) 독립적으로 트리거링(triggered) 될 수 있는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 하측/제1 장착 장치는, 심지어 접촉 전에 추후의 접촉이 런-아웃 오류를 이상적으로는 완전히 상쇄할 수 있는 양만큼 가열 및/또는 냉각 수단에 의해 조절 방식으로 하측/제1 기판이 변형되도록, 특히 가로 방향으로 압축되거나 팽창되도록 형성된다. 이 실시예에서 하측/제1 기판의 고정은 상응하는 변형 후에만 수행되며, 특정 값이 하측/제1 장착 장치 또는 하측/제1 기판의 열팽창계수에 영향을 끼칠 필요가 없다.
본 발명에 따른 또 다른 특정 단계에서, 하측/제1 기판의 접촉은 가열 및/또는 냉각 공정 전에 수행된다. 가열 및/또는 냉각 공정 전에 고정시킴으로써, 하측/제1 기판은 하측/제1 장착 장치의 열팽창을 따르며(follow), 열팽창계수는 기판의 (열)팽창을 표시하도록 사용될 수 있다. 특히, 하측/제1 장착 장치 및 하측/제1 기판의 열팽창계수는 가열 및/또는 냉각 공정에서 어떠한 열응력(thermal stress) 또는 적어도 작은 열응력이 하측/제1 기판 내에 발생하도록 동일하다. 또한, 본 발명에 따르면, 열팽창계수가 서로 다른 것도 고려해 볼 수 있다. 열팽창계수가 상이한 경우, 중앙의 하측/제1 기판은 하측/제1 장착 장치의 열팽창을 따를 것이다.
여기서, 제1 및 제2 장착 장치 사이에 설정된 온도 차이는 20℃ 미만, 바람직하게는 10℃ 미만, 더 바람직하게는 5℃ 미만, 가장 바람직하게는 2℃ 미만, 그 중에서도 가장 바람직하게는 1℃ 미만이다. 본 발명에 따르면, 각각의 장착 장치는 가능한 최대한 균질하게 가열된다. 특히, 임의의 두 지점에서 온도 차이가 5℃ 이하, 바람직하게는 3℃ 이하, 더 바람직하게는 1℃ 이하, 가장 바람직하게는 0.1℃ 이하, 그 중에서도 가장 바람직하게는 0.05℃ 이하인 온도장(temperature field)이 있다.
본 발명에 따른 또 다른 실시예에서, 제1 장착 장치는 장착 표면 상의 장착 장치가 기계적 작동 수단에 의해 조절 방식으로 변형될 수 있도록, 특히 압축되거나 및/또는 팽창될 수 있도록 구성된다. 제1 장착 장치의 표면 위에 고정된 제1 기판은 장착 장치에 대해 작은 두께로 인해 변형되고 이와 동시에 장착 장치의 변형에 의해 변형된다. 상기 장착 장치는 기판 마운트(substrate mount) 주위에서, 바람직하게는 반경 방향으로 대칭으로 분포되어 배열된 공압 및/또는 유압 및/또는 압전 액츄에이터(actuator)로 변형된다. 완전히 대칭인 순전히 반경 방향으로의 비틀림을 위해, 120°의 각거리(angular distance)로 배열된 3개 이상의 액츄에이터가 필요하다. 바람직하게는 5개 이상의 액츄에이터, 더 바람직하게는 10개 이상의 액츄에이터, 바람직하게는 20개 이상의 액츄에이터, 보다 더 바람직하게는 30개 이상의 액츄에이터, 그 중에서도 가장 바람직하게는 50개 이상의 액츄에이터가 사용된다.
본 발명에 따른 또 다른 실시예에서, 두 기판의 접촉 표면은 수직 위치에서 서로 결합된다. 상기 특정 실시예의 임무(task)는 중력에 의한 웨이퍼의 변형을 줄이는 데 있는데, 바람직하게는 웨이퍼를 적어도 대칭으로 배열시키는 데 있으며, 특히 바람직하게는 중력에 의한 변형을 완전히 방지하거나 및/또는 상쇄하는 데 있다. 두 기판은, 수직 위치에서, 결합 개시 지점에서 볼록한 표면이 접촉될 수 있도록, 한 개당 하나의 작동 수단, 특히 한 개당 하나의 핀에 의해 특히 결합 개시 지점에 대해 동시에 대칭으로 결합 개시 지점을 향해 굽어지는 것이 바람직하다. 특히, 기판 중 하나 이상을 장착 표면으로부터 분리시킴으로써, 결합파를 사용하는 자동 결합 공정(automatic bonding process)이 시작된다.
본 발명에 따른 실시예는 결정된, 특히 조절가능한 환경(controllable atmosphere), 특히 정상 압력 하에서 작동되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따라 위에서 언급한 모든 실시예들은 저-진공(low vacuum)에서, 더 바람직하게는 고-진공(high vacuum)에서, 보다 더 바람직하게는 초고진공(ultrahigh vacuum)에서, 특히 100 mbar 미만, 바람직하게는 10-1 bar 미만, 더 바람직하게는 10-3 bar 미만, 보다 더 바람직하게는 10-5 bar 미만, 가장 바람직하게는 10-8 bar 미만의 압력으로 수행될 수 있다.
본 발명에 따른 추가적인 실시예에서, 결합파의 진행(propagation)에 영향을 끼치는 하나 이상의 요인, 특히 진행 속도(propagation velocity) 및/또는 접촉 표면의 정렬에 영향을 끼치는 하나 이상의 요인이 조절된다. 결합파는 특히 결합파의 속도에 대해 모니터링 된다(monitored). 이 속도는 특히 결합이 수행되는 환경(atmosphere)에서 가스의 온도 및/또는 밀도 및/또는 조성(composition)을 통해 간접적으로 조절된다. 본 발명에 따른 방법이 저압 환경, 바람직하게는 진공에서 수행되는 것이 바람직하지만, 또 다른 환경, 특히 정상 압력 범위에서 결합 공정이 수행되는 것도 바람직할 수 있다. 점 접촉(point contact)으로 인해, 본 발명에 따른 결합 공정에서 결합파는 항상 중앙으로부터 측면 에지로 반경 방향으로 대칭으로 이동되고(travel), 이 공정에서 결합파 전방에 있는 환형 가스 쿠션(annular gas cushion)을 압축한다. 특히, 결합파의 대략적으로 원형의 링 형태의 결합 라인(결합 전방)을 따라, 이렇게 큰 결합력(bond force)이 제공되어(prevail) 어떤 경우에서도 가스 버블(gas bubble)이 포함될 수 없다. 따라서, 상측/제2 기판은 결합 공정 동안 특정 타입의 가스 쿠션 위에 배열된다.
가스 쿠션의 성질의 정의 및 본 발명에 따른 가스/가스 혼합물의 선택에 의해 제2 기판이 얼마나 빨리 그리고 얼마나 강하게 내려가거나 및/또는 팽창될 수 있는지가 구현된다. 게다가, 결합파의 속도는 가스의 성질을 통해 조절될 수도 있다.
가스 혼합물의 조성은 본 발명의 또 다른 실시예, 특히 독립적인 형태에 따라 선택된다. 주어진 온도에서 이에 상응하게 낮은 관성(inertia)을 가진, 가능한 최대한 경량(light) 타입의 원자 및/또는 분자를 가진 가스가 사용되는 것이 바람직하다. 따라서, 가스 구성요소 중 하나 이상의 구성요소의 몰 질량(mole mass)은 1000 g/몰 미만, 바람직하게는 100 g/몰 미만, 더 바람직하게는 10 g/몰 미만, 그 중에서도 가장 바람직하게는 1 g/몰 미만이다. 더 바람직하게는, 사용된 가스 혼합물의 밀도는 특히 가능한 최대한 작게 설정되거나 및/또는 온도는 특히 필요 시마다 높게 설정된다. 본 발명에 따르면, 가스 밀도는 10 kg/m3 이하, 바람직하게는 1 kg/m3 이하, 더 바람직하게는 0.1 kg/m3 이하, 가장 바람직하게는 0.01 kg/m3 이하이다. 본 발명에 따르면, 가스의 온도는 0℃ 이상, 바람직하게는 100℃ 이상, 더 바람직하게는 200℃ 이상, 가장 바람직하게는 300℃ 이상, 그 중에서도 가장 바람직하게는 400℃ 이상으로 설정된다. 본 발명에 따르면, 위에서 언급한 변수들은 선택된 가스 혼합물 또는 가스 혼합물의 개별 구성요소들이 응축되지(condense) 않도록 선택된다. 이런 방식으로, 결합 공정 동안 기판의 표면 위에 액체가 포함되는 것이 방지된다.
열역학적 성질이 다중구성요소 상태 다이어그램(multicomponent phase diagram)에 도시된 가스 혼합물에도 이와 비슷하게 고려된다. 가스 혼합물의 온도 및/또는 압력 및/또는 조성을 변경시킴으로써, 제1 및/또는 제2 기판의 운동학(kinematics)이 영향을 받고 이에 따라 런-아웃 오류가 감소된다.
특히, 모든 가변 변수(variable parameter)는 기존의 초기 및 경계 조건에 대해 속도가 가능한 최대한 최적인 상태로 결합파가 진행되도록 선택되는 것이 바람직하다. 대개는, 기존의 환경에 대해, 특히 정상 압력에 대해, 결합파의 속도가 가능한 최대한 느린 것이 바람직하다. 결합파의 속도는 200 cm/s 미만, 더 바람직하게는 100 cm/s 미만, 더 바람직하게는 50 cm/s 미만, 가장 바람직하게는 10 cm/s 미만, 그 중에서도 가장 바람직하게는 1 cm/s 미만이다. 특히, 결합파의 속도는 0.1 cm/s 이상이다. 특히, 결합 전방을 따르는 결합파의 속도는 일정하다. 진공 환경에서, 결합파의 속도는 자동으로 더 빨라지게 되는데, 그 이유는 결합 라인을 따라 결합되는 기판들이 가스에 의한 임의의 저항(resistance)을 극복할 필요가 없기 때문이다.
본 발명의 또 다른 실시예 특히 독립 형태에 따르면, 상측/제2 장착 장치 상에서 상측/제2 기판과 수용 표면 사이에 강화 플레이트(stiffening plate)가 삽입된다. 강화 플레이트는 기판에 특히 일시적으로 결합되며 결합 동안 상측/제2 기판의 거동(behavior)을 변경시킨다. 상측/제2 기판과 강화 플레이트 사이의 연결은 강화 플레이트에서 구성-엔지니어링 고정(construction-engineering fixing)에 의해 구현된다. 이 고정은 진공 고정(vacuum fixing)인 것이 바람직하다. 정전기 고정(electrostatic fixing), 에지 상에 기판을 리척킹(rechuck)하는 매우 얇은 기계적 고정, 및 매우 폴리싱된 강화 플레이트 표면에 의한 접착 고정(adhesion fixing)도 고려해 볼 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예 특히 독립 형태에 따르면, 런-아웃 오류는 결합 개시 지점의 외측 및/또는 접촉이 형성되기 전에 두 기판 사이에서 매우 작은 거리만큼 설정된다. 이 거리는 특히 100 μm 미만, 바람직하게는 50 μm 미만, 더 바람직하게는 20 μm 미만, 가장 바람직하게는 10 μm 미만이다.
본 발명에 따르면, 특히 결합 전방 상에서, 두 기판의 곡률반경이 서로로부터 5% 미만만큼 벗어나 있으며, 동일한 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 모든 실시예들 중 또 다른 특정의 변형예에서, 하측/제1 장착 장치 및/또는 상측/제2 장착 장치는 작동 수단을 가지는데, 특히, 각각의 기판의 볼록 곡률이 결합 개시 지점의 방향으로 구현될 수 있는 핀 및 중앙 홀을 가진다.
위에서 기술된 단계 및/또는 움직임(movement) 및/또는 순서(sequence), 특히 기판의 편향(deflection)을 위해 핀의 단계 및/또는 움직임 및/또는 순서, 서로에 대한 기판의 접근, 가스 조성, 압력 및 온도의 모니터링은 중앙 제어 유닛, 특히 컨트롤 소프트웨어가 있는 컴퓨터를 통해 조절되는 것이 바람직하다.
기판은 임의의 공지된 기술을 이용하여 임의의 고려가능한 방식으로 수용 또는 장착 장치 상에 수용되고 고정될 수 있다. 본 발명에 따르면, 진공 샘플 홀더(vacuum sample holder), 정전기 샘플 홀더(electrostatic sample holder), 기계적 클램핑(mechanical clamping)이 있는 샘플 홀더가 고려될 수 있다. 기판은 고정 부분(fixing) 내에 팽창되도록 기판의 최대 가요성(flexibility) 및 자유도(freedom)를 가질 수 있도록 하기 위하여 측면 에지 영역에서 가능한 최대한 외측으로 멀리 원 세그먼트(circle segment) 상에만 고정되는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 실시예 특히 독립 형태에 따르면, 접촉되기 전에, 그 뒤, 오직 접촉의 시작만이 영향을 받을 때, 가능한 최대한 조절되고(coordinated) 이와 동시에 특히 기판의 한 접촉 표면의 중앙(M)에 대해 반경 방향으로 외측을 향해 동심 배열되는(run concentrically) 사전응력(prestress)에 노출된 기판 중 하나 이상의 기판에 의해 준-독립적으로(quasi-independently) 접촉이 형성되고, 섹션, 특히 기판의 중앙(M)의 접촉 후에는, 기판이 릴리스되고(released) 사전응력에 따라 자동으로 조절된 맞은편 기판에 결합된다. 사전응력은 변형 수단에 의해 제1 기판의 변형에 의해 구현되는데, 상기 변형 수단, 특히 형태에 따른 변형 수단은 결합 측면으로부터 멀어지도록 향하는 면 위에서 작용하며, 변형은 서로 다른(특히 상호교체 가능한) 변형 수단을 사용함으로써 조절가능하다. 조절은 변형 수단이 기판 상에서 작용하는 힘 또는 압력에 의해 구현된다. 여기서, 반도체 기판으로 장착 장치의 유효 장착 표면(effective mounting surface)을 감소시켜 반도체 기판이 장착 장치에 의해 오직 부분적으로 지지되는 것이 바람직하다. 이런 방식으로, 접촉 표면이 작으면 작을수록 장착 장치 또는 샘플 홀더와 웨이퍼 사이에 더 작은 접착(adhesion)이 발생된다. 본 발명에 따르면, 고정은 반도체 기판(제1 기판)의 주변(periphery) 영역에서 특히 단독으로 제공되며, 유효 장착 표면으로 충분하게 고정되며 이와 동시에 반도체 기판과 장착 장치의 장착 윤곽(mounting contour) 사이에 가능한 최대한 적게 고정된다. 따라서, 이와 동시에, 반도체 기판의 부드럽고 신뢰성있는 분리(detachment)가 가능한데, 그 이유는 웨이퍼를 분리시키기 위해 필요한 분리력(detachment force)이 가능한 최대한 작기 때문이다. 분리는 특히 장착 표면 상에서 음압(negative pressure)을 감소시킴으로써 대개 조절가능하다. 용어 "조절가능한(controllable)"은, 웨이퍼를 제2 웨이퍼와 접촉시킨 뒤, 샘플 홀더 상의 웨이퍼는 여전히 고정된 상태로 유지되고 오직 장착 표면 상의 음압이 (조절되어) 감소됨으로써, 기판(웨이퍼)이 샘플 홀더(장착 장치)로부터 특히 내측으로부터 외측으로 분리되는 것을 의미한다. 본 발명에 따른 실시예로 인해, 분리는 매우 작은 힘으로 구현될 수 있다.
기판(웨이퍼)은 표면 상에서 상응하는 구조를 동일하게 일치시키기 위하여(정확한 정렬, 특히 2 μm 미만, 바람직하게는 250 nm 미만, 더 바람직하게는 150 nm 미만, 가장 바람직하게는 100 nm 미만의 정밀도로) 결합 공정 전에 서로 정렬된다. 본 발명에 따른 결합 방법에서, 웨이퍼는 서로 평평하게 배열되지 않지만 두 웨이퍼 중 하나가 제2 웨이퍼에 대해 가볍게 압축됨으로써 우선 중앙(M)에서 서로 접촉되거나 맞은편 웨이퍼의 방향으로 변형된다. (맞은편 웨이퍼 방향으로) 변형된 편향된 웨이퍼의 분리 후에, 특히 적어도 대부분 자동으로, 그리고, 최소 힘이 관련되어 따라서 결합파가 진행될 때 결합 전방을 따라 최소 수평 비틀림(minimum horizontal distortion)으로, 연속적이고 보다 균일한 용접(welding)이 구현된다.
본 발명의 또 다른 실시예 특히 독립 형태는 결합파의 이동(travel)에 영향을 끼치는 주어진 요인에 따라 제2 기판 및/또는 제1 기판의 변형을 조절하는 데 있다. 영향을 주는 요인은 기판을 둘러싸는 환경의 주변 압력, 환경 내에 존재하는 가스/가스 혼합물 타입, 결합 개시 지점의 외측 기판들 사이의 온도, 거리, 기판의 결합 강도, 임의의 사전처리 단계(pretreatment step), 표면의 조성, 표면 거칠기(surface roughness), 표면 상의 재료 및 웨이퍼 두께/굽힘 강도를 포함한다.
결합 개시 지점이 기판의 접촉 표면의 중앙에 위치되는 경우, 균일한 특히 결합파의 동심 이동(concentric travel)이 구현될 수도 있다.
제1 기판 및/또는 제2 기판의 변형이 가로 방향(lateral direction) 및/또는 볼록하거나 및/또는 오목하게 구현되는 것이 특히 바람직하며, 보다 바람직하게는 거울-대칭으로 구현된다. 달리 말하면, 본 발명에 따르면, 변형은 특히 제2 기판 및/또는 제1 기판의 굽힘(curving) 또는 압축 또는 팽창에 의해 수행된다.
기판은 특히 5 mm 미만, 바람직하게는 3 mm 미만, 보다 더 바람직하게는 1 mm 미만만큼 서로로부터 벗어난(deviate) 대략 동일한 직경(D1, D2)을 가지는 것이 바람직하다.
본 발명의 또 다른 실시예 특히 독립 형태에 따르면, 변형은 제1 및/또는 제2 장착 장치의 온도 조절에 의해 및/또는 기계적 작동 수단에 의해 수행된다.
제1 및/또는 제2 장착 표면 상의 측벽(side wall) 영역에만 고정된 제1 기판 및/또는 제2 기판에 의해, 본 발명에 따른 변형은 보다 쉽게 구현될 수 있다.
위에서 기술된 본 발명에 따른 장치의 특징들은 본 발명에 따른 방법의 특징들에 따라 기술되는 것을 고려되어야 하며, 그 반대도 마찬가지이다.
본 발명의 그 외의 다른 이점, 특징 및 세부사항들은 첨부된 도면들을 참조하여 바람직한 대표 실시예들을 기술한 하기 내용으로부터 자명해질 것이다:
도 1은 본 발명에 따른 장치의 제1 실시예의 개략적인 횡단면도,
도 2는 본 발명에 따른 장치의 제2 실시예의 개략적인 횡단면도,
도 3은 본 발명에 따른 장치의 제3 실시예의 개략적인 횡단면도,
도 4는 본 발명에 따른 장치의 제4 실시예의 개략적인 횡단면도,
도 5는 본 발명에 따른 장치의 제5 실시예의 개략적인 횡단면도,
도 6은 본 발명에 따른 결합 방법 단계의 제1 실시예의 개략도,
도 7a는 정렬 오류 dx가 기판의 한 측면 에지 영역에 있는 결합된 기판 쌍의 개략도,
도 7b는 본 발명에 따른 결합파 영역에 있는 2개의 기판의 확대 개략도,
도 7c는 정렬 오류/런-아웃 오류가 없는 2개의 기판의 확대 개략도,
도 7d는 정렬 오류/런-아웃 오류가 있는 2개의 기판의 확대 개략도,
도 8은 가능한 오버레이 또는 런-아웃 오류를 기호화하여 도시한 도면이다.
도면들에서, 동일한 구성요소들과 동일한 기능을 가진 구성요소들은 동일한 도면부호들로 표시된다.
도 1은, 베이스 바디(9)와 장착 바디(2)로 구성된, 기판 샘플 홀더로서의 하부 제1 장착 장치(1)를 도시한다. 장착 바디(2)는 맞은편 제2 장착 장치(4)의 방향에서 상부를 향하여 위치되고 예시된 예에서는 볼록하게 굽어진 제1 장착 표면(2o)을 가진다. 장착 바디(2)는 한 모듈로서 상호교체가 가능하도록 구성되며 베이스 바디(9)로부터 개별적으로 구성될 수도 있다. 따라서, 베이스 바디(9)는 본더(도시되지 않음)의 하부 장착 유닛과 장착 바디(2) 사이의 어댑터로서 사용된다. 이에 따라, 본 발명에서는, 필요 시에, 상이한 곡률반경(R)을 가진 상이한 모듈식 장착 바디(2)들의 사이에서 즉각적인 교체 작업을 수행하는 것이 가능하다.
장착 바디(2) 위에는, 하부 제1 기판(3)이 장착 표면(2o) 위에 고정될 수 있는 진공 경로(vacuum path) 형태의 고정 수단(6)이 배열된다.
본 발명에 따르면 곡률반경(R)이 매우 크고 이에 따라 실질적으로 육안으로는 곡률을 감지할 수 없기 때문에(도면에서는 명확하게 보여주기 위하여 현저하게 과장되어 개략적으로 도시됨), 본 발명에서는, 고정 수단(6)이 없는 상태의 제1 장착 장치를 고려하고 마지막으로 제1 기판을 장착 표면(2o) 위에 배열시키는 것을 고려해 볼 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 정전기, 전기 또는 자기형 고정 수단에 의한 접착(adhesion) 방법을 고려할 수 있다.
기판 샘플 홀더로서 형성되는 제2 장착 장치(4)는 특히 동심 섹션(concentric section)에서 제1 장착 표면(2o)의 상응하는 동심 섹션에 대해 균등한 거리로 정렬될 수 있는 제2 장착 표면(2o')이 있는 베이스 바디(2')로 구성된다.
베이스 바디(2')는 제1 장착 장치(1)의 고정 수단과 비슷하게 고정 수단(6')과 홀(hole) 형태의 개구(5)를 가진다.
고정 수단(6')은 제2 기판(8)의 접촉 표면(8k)으로부터 멀어지도록 향하는 한 측면 위에 상부 제2 기판(8)을 고정시키도록 사용된다.
변형(여기서는, 굴절(deflection))을 위해, 그리고, 우선적으로, 제2 기판(8)을 굽어진 제1 기판(3), 특히, 최대 곡률 영역에 점 접근(point approach)을 위해 핀(7) 형태의 작동 수단이 사용된다.
본 발명에서는, 한 특정 실시예에서, 공압적으로 및/또는 유압적으로 팽창되고 압축될 수 있는 신장가능한 구성요소, 특히 내온도성(temperature-resistant) 및/또는 내부식성 재료로 제작된 필로(pillow)와 같이 장착 바디(2)를 형성하는 것을 고려해 볼 수 있다.
도 2는 제1 장착 표면(2o)이 풀 로드(pull rod) 및/또는 푸시 로드(push rod)와 같이 형성된 작동 요소(10)에 의해 조절되어 변형될 수 있는 장착 바디(2")를 가진 제2 실시예를 도시한다. 마운트(2")는 특히 동심 배열된 고정 섹션(16)과 제1 장착 표면(2o)을 둘러싸는 변형 섹션(17)을 가진다. 변형 섹션(17)은 적어도 대부분 일정한 두께를 가지며 그에 따라 대개 일정한 굽힘 강성을 가진다. 작동 요소(10)는 장착 표면(2o)으로부터 멀어지도록 향하는 변형 섹션(17)의 작동 면(actuating side) 위에 위치되며, 특히 상기 작동 면 위에 고정된다. 작동 요소(10)에 의해, 변형 섹션(17)은 마이크로미터 범위로 변형될 수 있는데, 특히, 볼록하고 오목하게 굽어질 수 있다. 여기서, 작동 요소(10)는 0.01 μm 이상, 바람직하게는 +/- 1 μm 이상, 더 바람직하게는 +/- 1 μm 이상, 보다 더 바람직하게는 +/- 100 μm 이상, 가장 바람직하게는 +/- 1 mm 이상, 그 중에서도 가장 바람직하게는 +/- 10 mm 이상 이동한다(travel). 그 외의 경우, 도 2에 따른 실시예는 도 1에 따른 실시예에 상응한다.
도 3은 제1 장착 장치(1)가 장착 바디(2''')를 가진 제3 실시예를 도시한다. 장착 바디(2''')는 제1 기판(3)을 수용하기 위한 제1 장착 표면(2o)을 가진다. 게다가, 이 실시예에서 제1 장착 장치(1)는 적어도 제1 장착 표면(2o), 바람직하게는 전체 장착 바디(2''')의 영역에서 장착 바디(2''')의 온도 조절(가열 및/또는 냉각)을 위한 온도 조절 수단(11)을 가진다.
제1 단계에서, 제1 기판(3)은 온도 차이에 의해 야기되는 팽창된 상태에 도달하고 난 뒤에만 가열된 장착 바디(2''') 위에 고정된다. 이런 방법으로, 제1 기판(3)은 자체의 열팽창계수에 따라 팽창된다.
제2 단계에서, 제1 기판(3)은 온도 조절 수단(11)에 의해 열 하중(thermal loading) 전에 장착 바디(2''') 위에 고정된다. 온도 조절 수단(11)을 변경함으로써, 장착 바디(2''') 및 따라서 제1 기판(3)이 고정된 제1 장착 표면(2o)은 특히 가로 방향으로(lateral direction) 팽창된다. 장착 바디(2''')가 실질적으로 제1 기판(3)과 동일한 열팽창계수를 가지는 것이 바람직하다. 그 외의 경우, 제3 실시예는 위에서 언급한 제1 실시예 및 제2 실시예에 상응한다.
도 4는 베이스 바디(9')가 장착 바디(2IV)를 수용하기 위한 장착 섹션(18)을 가진 제4 실시예를 도시한다. 게다가, 베이스 바디(9')는 장착 섹션(18)과 결합되고 특히 주변 방향으로 배열되는 숄더 섹션(19)을 포함한다. 숄더 섹션(19)은 가로 방향으로의 장착 바디(2IV)의 변형을 위해 사용되는 작동 요소(12)를 위한 스톱(stop)으로 사용된다. 작동 요소(12) 특히 복수의 풀 및/또는 푸시 요소(12)는 장착 바디(2IV)의 가로 주변(lateral periphery) 위에 분포되어 배열된다(arranged distributed). 작동 요소(12)는 특히 기계적 팽창 및/또는 압축에 의해 바람직하게는 마이크로미터 범위에서 가로 방향으로의 장착 바디(2IV)의 변형을 위해 사용된다. 장착 바디(2IV)는 0.01 μm 이상, 바람직하게는 +/- 1 μm 이상, 더 바람직하게는 +/- 1 μm 이상, 보다 더 바람직하게는 +/- 100 μm 이상, 가장 바람직하게는 +/- 1 mm 이상, 그 중에서도 가장 바람직하게는 +/- 10 mm 이상만큼 팽창/압축된다. 작동 요소(12)는 순전히 기계 및/또는 공압 및/또는 유압 및/또는 압전 구성요소(component)들로서 형성될 수 있다.
그 외의 경우, 제4 실시예는 위에서 기술된 제1, 제2 및 제3 실시예에 상응한다. 제4 실시예에서, 장착 바디(2IV)와 기판(1) 사이의 접착이 매우 커서 장착 바디(2)IV)의 신장 또는 압축 동안 이와 마찬가지로 기판(1)이 작동 요소(12)에 의해 신장되거나 압축되는 것이 매우 중요하다.
도 5는 제1 장착 장치(1)와 제2 장착 장치(4)가 수직 방향으로 정렬되는 제5 실시예를 도시한다. 제1 장착 장치(1)는 베이스 바디(9")와 상기 베이스 바디(9")에 의해 고정되는 장착 바디(2V)를 가진다. 장착 바디(2V)는 상기 실시예에서 수직 방향으로 위치되고 고정 요소(6)에 의해 그 위에 제1 기판(3)이 고정되는 제1 장착 표면(2o)을 포함한다.
제2 장착 장치(4)는 장착 바디(2VI)를 수용하고 고정하기 위해 맞은편에 위치된 베이스 바디(9''')를 포함한다. 장착 바디(2VI)는 수직 방향으로 배열된 장착 표면(2o') 위에 제2 기판(8)을 수용하고 고정하기 위해 사용된다. 제2 기판(8)의 변형을 위해, 도 1에 따른 개구(5)와 유사한 개구(5)가 제공되는데, 핀(7) 형태의 작동 수단이 특히 제2 기판(8)의 접촉 표면(8k)으로부터 멀어지도록 향하는 한 면 위에서 개구(5)를 통해 제2 기판(8)을 변형시키도록 형성된다. 핀(7)은 기판(3, 8)이 제2 기판(8)의 변형에 의해 접촉될 때 결합 개시 지점(20)을 형성한다.
핀(7)과 개구(5) 외에도, 제1 장착 장치(1)와 제2 장착 장치(4)는 도 5에 따라 상기 실시예에서 대칭으로 형성된다. 또한, 제1 장착 장치는 기판(3, 8)이 대칭으로 변형되도록(symmetrical deformation) 상응하는 개구와 상응하는 핀을 가지는 것이 바람직하다. 변형된 기판(3, 8)이 특히 기판(3, 8)의 중앙에 위치된 결합 개시 지점(20)에서 접촉한 뒤에, 이와 동시에 고정 수단(6, 6')을 릴리스 함으로써, 기판(3, 8)은 동일하게 거동하며(behave) 이에 따라 서로 접촉 표면(3k, 8k)의 방향으로 변형될 때 심지어 중력의 영향이 없는 경우에서도 결합파(bonding wave)가 진행되는 동안에는 어떠한 정렬 오류도 발생하지 않는다. 이는 특히 본 발명에 따라 결합파 또는 정렬 오류, 특히, 기판의 굽힘 강성 또는 기판의 두께에 영향을 주는 대부분의 요인 개수가 똑같을 때 적용된다. 굽힘 강성은 상부에 가해지는 굽힘에 대해 바디의 저항(resistance)이다. 굽힘 강성이 크면 클수록, 동일한 곡률을 구현하기 위하여 굽힘 모멘트가 더 커야 한다.
굽힘 강성은 (횡단면을 변경해도 굽힘 모멘트가 관성모멘트를 변경시키지 않는다고 가정했을 때) 굽힘 모멘트와 무관한 순전히 재료 및 기하학적인 수량(quantity)이다. 중앙을 통과하는 웨이퍼의 횡단면은 두께(t3) 및 웨이퍼 직경(D)을 가진 직사각형과 매우 유사한 형태이다. 굽힘 강성은 균질한 횡단면을 위해 평면 관성모멘트와 탄성계수의 곱이다(product). 두께에 대해 수직인(normally) 축 주위에서 직사각형의 평면의 관성모멘트는 두께의 세제곱(third power)에 직접 비례할 것이다. 따라서, 관성모멘트 및 이에 따라 굽힘 모멘트는 두께에 의해 영향을 받는다. 굽힘 모멘트는 기판을 따른 중력의 작용에 의해 발생된다. 일정한 굽힘 모멘트, 따라서 일정한 중력에 대해, 큰 두께를 가진 기판은 굽힘 모멘트가 크기 때문에 작은 두께를 가진 기판보다 덜 구부러진다.
도 6은 결합 공정(bonding process)을 개략적으로 보여주는데, 제1 장착 장치(1)의 곡률반경(R)은 예시 목적으로 매우 과장되게 확대되어 도시된다. 본 발명에 따르면, 기판(3, 8)의 직경이 1 인치 내지 18 인치 범위에 있고 기판(3, 8)의 두께는 1 μm 내지 2000 μm 범위에 있을 때 상기 곡률반경은 수 미터이다.
기판(3, 8)의 중앙에 배열된 결합 개시 지점(20)의 영역에서 기판(3, 8)을 접촉 표면(3k, 8k) 위에 접촉시키고 난 뒤에, 그리고, 제2 기판(8)이 제2 장착 장치(4)에 고정된 것을 해제(즉 릴리스)한 후에, 결합 공정이 시작된다. 결합 전방(bond front)(10)이 있는 결합파가 결합 개시 지점(20)으로부터 기판(3, 8)의 측면 에지(8s, 3s)로 동심 배열된다(run concentrically).
이런 과정에서, 결합파는 가스(15)(또는 가스 혼합물(15))를 이동시키는데(displace), 이는 접촉 표면(3k, 8k) 사이에서 화살표로 표시된다.
본 발명에 따르면, 기판(3)은 기판(3, 8)의 상응하는 구조(14)의 정렬 오류가 최소화되도록 장착 장치(1)에 의해 변형된다.
기판(8)은 결합파의 이동 동안(결합이 개시되고 장착 장치(4)로부터 릴리스 되고 난 뒤) 작용 힘(acting force) 즉 가스 압력, 가스 밀도, 결합파의 속도, 기판(8)의 고유진동수(natural frequency)(스프링 거동)에 따라 변형된다.
특히, 도 1과 2에 따른 처음의 두 실시예에 상응하는 예시된 대표 실시예에서, 기판(3, 8)의 곡률에 의해 변형되며, 각각의 경우에서 특히 결합 전방(13)에서의 상측 기판(8)의 곡률반경(R)은 실질적으로 하측 기판(3)의 곡률반경(R1)에 상응한다. 두 장착 표면(2o, 2o') 중 하나가 평평하며 따라서 평평한 장착 표면(2o 또는 2o') 상에서 지지되는 상응하는 기판(3 또는 8)의 반경이 무한으로 큰 경우, 이와 상응하는 맞은편 기판(8 또는 3)의 반경도 커지며, 경계(boundary)에서는 무한으로 커지도록 설정된다. 따라서, 본 발명에 따르면, 두 기판(3, 8)에 의해 서로 접근하며 곡률반경이 무한으로 크며 따라서 접촉 표면(3k, 8k)이 서로에 대해 평행한 런-아웃 오류(run-out fault)의 상쇄(compensation) 방법도 기술된다. 본 발명에 따른 특정 경우는 두 기판(3, 8)을 서로 결합시키기 위하여 주로 진공 환경에서 적절한데, 그 이유는 일정량의 가스를 결합 경계면(bond interface)으로부터 그 전방으로 밀며(pushing) 결합 중심(bond center)로부터 전파되는(propagating) 결합파에 의해 두 기판(3, 8)을 서로 결합시키기에 반드시 필요한 것은 아니기 때문이다. 본 발명에 따른 곡률반경(R1 및 R)의 차이는 특히 100 m보다 작고, 바람직하게는 10 m 보다 작으며, 더 바람직하게는 1 m 보다 작고, 가장 바람직하게는 1 cm 보다 작으며, 그 중에서도 가장 바람직하게는 1 mm 보다 작다.
본 발명에 따르면, 가스(15) 또는 가스 혼합물(15) 및 압력 및/또는 온도, 결합 속도를 선택함으로써 대기(atmosphere)를 조절하는 것도 고려해 볼 수 있다.
도 7a 내지 7d는 도 7a 내지 7d에 따른 가능 정렬 오류를 확대된 형태로 예시하는데, 본 발명에 따르면, 도 7b 및 7c에 따른 정렬 오류는 기판(3, 8)의 변형에 의해 적어도 대부분 제거된다.
앞에서 기술된 방법 단계 특히 움직임(movement) 및 변수들은 특히 소프트웨어-기반의 컨트롤 장치(도시되지 않음)에 의해 조절된다.
1 : 제1 수용/장착 장치
2,2',2", 2''', 2IV, 2V, 2VI : 수용/장착 바디
2o : 제1 수용/장착 표면 2o' : 제2 수용/장착 표면
3 : 제1 기판 3k : 제1 접촉 표면
3s : 측면 에지 4 : 제2 수용/장착 장치
5 : 개구 6,6' : 고정 수단
7 : 핀 8 : 제2 기판
8k : 제2 접촉 표면 8s : 측면 에지
9,9',9",9''' : 베이스 바디 10 : 작동 요소
11 : 온도 조절 수단 12 : 작동 요소
13 : 결합 전방 14,14' : 구조
15 : 가스/가스 혼합물 16 : 고정 섹션
17 : 변형 섹션 18 : 장착 섹션
19 : 숄더 섹션 20 : 결합 개시 지점
dx : 정렬 오류 d1,d2 : 직경
R,R1 : 곡률반경

Claims (15)

  1. 기판(3, 8)의 접촉 표면(3k, 8k) 상에서 제2 기판(8)에 제1 기판(3)을 결합하기 위한 방법에 있어서, 상기 방법은:
    제1 수용 장치(1)의 제1 수용 표면(2o) 상에 제1 기판(3)을 수용하는 단계 및 제2 수용 장치(4)의 제2 수용 표면(2o') 상에 제2 기판(8)을 수용하는 단계;
    결합 개시 지점(20)에서 접촉 표면(3k, 8k)을 접촉시키는 단계;
    결합 개시 지점(20)으로부터 기판(3, 8)의 측면 에지(3s, 8s)로 이동하는 결합파를 따라 제2 기판(8)에 제1 기판(3)을 결합시키는 단계를 포함하며,
    상기 결합파는 결합이 수행되는 환경에서 가스의 온도, 밀도 및 조성 중 하나 이상에 의해 간접적으로 조절되는 것을 특징으로 하는 제2 기판(8)에 제1 기판(3)을 결합하기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서, 경량 타입의 원자를 가진 가스가 선택되는 것을 특징으로 하는 제2 기판(8)에 제1 기판(3)을 결합하기 위한 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 기판(3) 및 제2 기판(8) 중 하나 이상의 기판의 변형은 결합파의 이동에 영향을 끼치는 주어진 요인에 따르는 것을 특징으로 하는 제2 기판(8)에 제1 기판(3)을 결합하기 위한 방법.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 결합 개시 지점(20)은 접촉 표면(3k, 8k)의 중앙에 위치되는 것을 특징으로 하는 제2 기판(8)에 제1 기판(3)을 결합하기 위한 방법.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 기판(3) 및 제2 기판(8) 중 하나 이상의 기판의 변형은 가로 방향으로 또는 볼록하게 또는 오목하게 구현되는 것을 특징으로 하는 제2 기판(8)에 제1 기판(3)을 결합하기 위한 방법.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 변형은 제1 기판(3) 및 제2 기판(8) 중 하나 이상의 기판의 팽창 또는 압축 또는 굽힘(curving)에 의해 구현되는 것을 특징으로 하는 제2 기판(8)에 제1 기판(3)을 결합하기 위한 방법.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 기판(3, 8)의 직경(d1, d2)은 서로로부터 5 mm 미만만큼 벗어나 있는(deviate) 것을 특징으로 하는 제2 기판(8)에 제1 기판(3)을 결합하기 위한 방법.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 변형은, 제1 및 제2 수용 장치(1, 4) 중 하나 이상의 수용 장치의 온도 조절에 의해 또는 기계적 작동 수단에 의해 또는 온도 조절 및 기계적 작동 수단 둘 모두에 의해 구현되는 것을 특징으로 하는 제2 기판(8)에 제1 기판(3)을 결합하기 위한 방법.
  9. 제1항 또는 제2항에 있어서, 제1 기판(3) 및 제2 기판(8) 중 하나 이상의 기판은 제1 및 제2 수용 표면(2o, 2o') 중 하나 이상의 수용 표면 상에서 측면 에지(3s, 8s) 영역에만 고정되는 것을 특징으로 하는 제2 기판(8)에 제1 기판(3)을 결합하기 위한 방법.
  10. 기판(3, 8)의 접촉 표면(3k, 8k) 상에서 제2 기판(8)에 제1 기판(3)을 결합하기 위한 장치에 있어서, 상기 장치는:
    제1 수용 표면(2o) 상에 제1 기판(3)을 수용하기 위한 제1 수용 장치(1) 및 제2 수용 표면(2o') 상에 제2 기판(8)을 수용하기 위한 제2 수용 장치(4),
    결합 개시 지점(20)에서 접촉 표면(3k, 8k)을 접촉시키기 위한 접촉 수단, 및
    결합 개시 지점(20)으로부터 기판(3, 8)의 측면 에지(3s, 8s)로 이동하는 결합파를 따라 제2 기판(8)에 제1 기판(3)을 결합시키기 위한 수단을 포함하며,
    상기 결합파는 결합이 수행되는 환경에서 가스의 온도, 밀도 및 조성 중 하나 이상에 의해 간접적으로 조절되는 것을 특징으로 하는 제2 기판(8)에 제1 기판(3)을 결합하기 위한 장치.
  11. 제10항에 있어서, 경량 타입의 원자를 가진 가스가 선택되는 것을 특징으로 하는 제2 기판(8)에 제1 기판(3)을 결합하기 위한 장치.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서, 변형 수단이, 제1 수용 표면(2o) 상에서, 가로 방향으로 변형되거나, 혹은 볼록하게 또는 오목하게 변형되거나, 혹은 가로 방향으로 볼록하게 또는 오목하게 변형될 수 있는 제1 수용 장치(1)를 포함하는 것을 특징으로 하는 제2 기판(8)에 제1 기판(3)을 결합하기 위한 장치.
  13. 제10항 또는 제11항에 있어서, 변형 수단이, 제2 수용 표면(2o') 상에서, 가로 방향으로 변형되거나, 혹은 볼록하게 또는 오목하게 변형되거나, 혹은 가로 방향으로 볼록하게 또는 오목하게 변형될 수 있는 제2 수용 장치(4)를 포함하는 것을 특징으로 하는 제2 기판(8)에 제1 기판(3)을 결합하기 위한 장치.
  14. 제10항 또는 제11항에 있어서, 변형 수단이, 제1 및 제2 수용 장치(1, 4) 중 하나 이상의 수용 장치의 온도 조절을 위해 온도 조절 수단 및 기계적 작동 수단 중 하나 이상의 수단을 가지는 것을 특징으로 하는 제2 기판(8)에 제1 기판(3)을 결합하기 위한 장치.
  15. 제10항 또는 제11항에 있어서, 제1 기판(3) 및 제2 기판(8) 중 하나 이상의 기판을 고정하기 위한 고정 수단이 제1 및 제2 수용 표면(2o, 2o') 중 하나 이상의 수용 표면 상에서 측면 에지(3s, 8s) 영역에만 위치되는 것을 특징으로 하는 제2 기판(8)에 제1 기판(3)을 결합하기 위한 장치.
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