WO2001043168A2

WO2001043168A2 - Verfahren zum handhaben von halbleitersubstraten bei der prozessierung und/oder bearbeitung

Info

Publication number: WO2001043168A2
Application number: PCT/DE2000/004359
Authority: WO
Inventors: Jörg BAGDAHN; Matthias Petzold
Original assignee: Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
Priority date: 1999-12-07
Filing date: 2000-12-05
Publication date: 2001-06-14
Also published as: DE19958803C1; WO2001043168A3

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Handhaben von Halbleitersubstraten bei der Prozessierung und/oder Bearbeitung. Bei dem Verfahren wird das Halbleitersubstrat (1) mit einem Trägersubstrat (2) verbunden, auf dem Trägersubstrat (2) prozessiert und anschliessend wieder vom Trägersubstrat gelöst. Zur Trennung vom Trägersubstrat werden eine oder mehrere Schneiden (5) oder Spitzen parallel zu einer Oberfläche des Halbleitersubstrates (1) derart mit variierender Vorschubgeschwindigkeit in den Verbindungsbereich zwischen dem Halbleitersubstrat (1) und dem Trägersubstrat (2) eingeschoben, dass zunächst ein oder mehrere Anrisse in dem Verbindungsbereich erzeugt werden, die sich durch weiteres Einschieben der Schneiden (5) oder Spitzen vollständig im Verbindungsbereich ausbreiten und zur Trennung der beiden Substrate führen. Das Verfahren ermöglicht die einfache Handhabung von dünnen Halbleitersubstraten bei der Prozessierung und/oder Bearbeitung, ohne dass nennenswerte Abfallprodukte entstehen.

Description

Verfahren zum Handhaben von Halbleitersubstraten bei der Prozessierung und/oder Bearbeitung

Technisches Anwendungsgebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Handhaben von Halbleitersubstraten bei der Prozessierung und/oder Bearbeitung, bei dem das zu prozessierende Halbleitersubstrat mit einem Trägersubstrat verbunden, auf dem Trägersubstrat prozessiert und/oder be- arbeitet und anschließend von dem Trägersubstrat gelöst wird. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Trennung von verbundenen Substraten bei der Durchführung des Verfahrens .

Für viele Anwendungen von elektronischen Bauelementen und insbesondere von integrierten Schaltungen kann es vorteilhaft sein, die Gesamtdicke der Halbleiterbereiche auf wenige Mikrometer zu beschränken. Derart dünne Halbleiterbereiche haben eine sehr geringe Masse und eine sehr geringe Bauhöhe. Sie sind mechanisch flexibel und passen sich dem thermomechanischen Verhalten einer Unterlage an. Gerade in der Mikroelektronik und im Bereich der Mikrosystemtechnik, beispielsweise im Einsatz bei Chipkarten, sind derartige dünne mikroelektronische bzw. mikromechanische Bauelemente von großem Interesse. Stand der Technik

Für die Herstellung und Handhabung von dünnen Halbleitersubstraten oder Halbleiterwafern sind unter- schiedliche Verfahren bekannt. In der Siliziumtechnologie stehen zunächst Wafer zur Verfügung, die eine Dicke von typischer Weise 500 - 1000 μm bei einem Durchmesser von derzeit 100 mm bis 300 mm aufweisen. Nach der halbleitertechnologischen Fertigung zur Erzeugung der Schaltkreise oder Bauelemente werden die Wafer und damit die einzelnen Chips des Wafers auf Restdicken von 200 μm oder darunter gedünnt, um im Gehäuse oder auf Chipkarten eingebaut werden zu können. Eine Prozessierung der Bauelemente oder Schaltkreise auf freitragen- den, bereits gedünnten Wafern scheidet in der Regel aus, da sich die Wafer mit abnehmender Materialdicke zunehmend verformen oder brechen.

Zum Rückdünnen von Wafermaterial nach der Prozes- sierung werden mechanische und chemische Verfahren, wie beispielsweise Schleifen oder Ätzen, oder eine Kombination beider Verfahren eingesetzt. Diese Technik hat jedoch den Nachteil, dass für das Rückdünnen einerseits ein hoher Zeitaufwand erforderlich ist und andererseits das abgetragene Wafermaterial zerstört wird, so dass es umweltgerecht entsorgt werden muss . Weiterhin besteht die Gefahr, dass die bereits auf dem Wafer prozessierten Bauelemente durch einen fehlerhaften Dünnungspro- zess zerstört werden. Die Waferrückseite, d.h. die ab- gedünnte Seite, besitzt eine erhöhte Rauigkeit, wodurch sich die Festigkeit der Bauelemente reduziert. Ein weiteres bekanntes Verfahren zum Prozessieren dünner Halbleitersubstrate besteht im Einsatz der so genannten SOI-Wafer. Bei einer Ausgestaltung dieser Technik, der so genannten BESOI-Technik, werden zwei oxidierte Siliziumwafer durch thermisches Bonden und die damit hergestellten kovalenten Bindungen fest verbunden. Anschließend wird einer der beiden Wafer auf die Nutzdicke rückgedünnt . Der auf diese Weise entstandene Verbund aus einem dünnen Halbleitersubstrat auf einem dickeren Trägerwafer wird in der gewünschten Weise prozessiert. Anschließend wird das dünne Halbleiter- substrat vom Trägerwafer gelöst. Auf diese Weise wird die Gefahr einer Zerstörung der Bauteilschicht durch den Dünnungsprozess vermieden, da die Halbleiterschicht erst nach dem Dünnen prozessiert wird.

Für die Trennung der prozessierten Halbleiterschicht vom Trägersubstrat sind unterschiedliche Verfahren bekannt. Die Entfernung des Trägerwafers erfolgt hierbei in der Regel durch Schleifen oder durch nass- oder trockenchemisches Ätzen. Beide Verfahren führen jedoch zu einer vollständigen Zerstörung des Trägerwafers und zu einer Gefährdung der bereits prozessierten Halbleiterschicht.

Die JP 7302889A beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines SOI-Wafers, bei dem eine poröse Siliziumschicht zwischen der dünnen Halbleiterschicht und dem Trägersubstrat gebildet wird. Bei der Entfernung des Trägersubstrates wird dabei lediglich die poröse Sili- ziumschicht weggeätzt, so dass das Trägersubstrat unversehrt bleibt. Ein weiteres Verfahren zur Abtrennung einer dünnen Halbleiterschicht von einem Trägersubstrat ist in der DE 196 54 791 AI beschrieben. Bei diesem Verfahren wird die dünne Halbleiterschicht mit Durchgangslöchern ver- sehen, die sich bis in eine zwischen der Halbleiterschicht und dem Trägersubstrat vorliegenden Trennschicht erstrecken. Anschließend wird ein Ätzmittel zum entfernen der Trennschicht in die Durchgangslöcher eingebracht und die Halbleiterschicht auf diese Weise von dem Trägersubstrat getrennt. Das Verfahren ermöglicht somit ebenfalls die Herstellung bzw. Handhabung eines dünnen Halbleitersubstrates ohne ein Rückschleifen oder Rückätzen eines monokristallinen Wafers .

Die letztgenannten Verfahren erfordern jedoch je- weils eine spezielle Trennschicht zwischen dem dünnen Halbleitersubstrat und dem Trägersubstrat, die für ein Ätzmittel zugänglich sein muss. Zudem muss diese Trennschicht weggeätzt werden, so dass wiederum Abfallprodukte anfallen, die umweltgerecht entsorgt werden müs- sen.

Neben den oben angeführten festen Verbindungen zwischen den Substraten können vor der eigentlichen Prozessierung zwei Wafer auch ohne weitere äußere Ein- Wirkung durch reinen mechanischen Kontakt ihrer Oberflächen miteinander verbunden werden. Beim mechanischen Kontakt der Wafer wird eine Adhäsion über relativ schwache reversible Bindungen wie Wasserstoffbrückenbindungen oder van der Waals-Bindungen erreicht. Bei Restpartikeln oder Kontaminationen in der Verbindungs- fläche oder bei ungenügender Planarität der Wafer können Hohlräume im Verbindungsbereich entstehen, die über IR-Techniken nachweisbar sind. In diesem Fall müssen die Wafer in der Regel wieder voneinander getrennt und gegebenenfalls nochmals gereinigt oder ausgesondert werden. Angesichts der sehr geringen Festigkeit und Reversibilität der Bindung zwischen den Wafern kann zu diesem Zeitpunkt die Bondverbindung leicht wieder getrennt werden.

Zur Trennung dieser lockeren Bondverbindungen zwischen zwei Wafern ist es beispielsweise aus der EP 0 824 267 bekannt, die Trennung der Halbleitersubstrate Trennung durch eine seitliche mechanische Belastung der Verbindung mit Klingen oder Schneiden zu unterstützen. Auch die US 5,897,743 sowie die JP 7-240355 beschreiben vergleichbare Verfahren. Der Waferverbund wird bei diesen Verfahren stets nur am Rande belastet, um die Tren- nung zu initiieren und um Schädigungen der Waferober- flachen zu vermeiden. So wird in der US 5,897,743 beispielsweise durch die Geometrie der Schneide besonderen Wert darauf gelegt, dass die Schneide nicht zu weit in die Verbindung eindringt . Infolge der geringen Festig- keit der Verbindung breitet sich der erzeugte Anriss selbständig über die gesamte Waferflache, d.h. über eine Länge von ca. 10 cm aus.

Die letztgenannten Verfahren sind für die hier vorliegenden Anwendungsfälle jedoch nicht geeignet, in denen der Waferverbund bereits prozessiert und/oder bearbeitet wurde, bevor die Verbindung getrennt wird. Die Festigkeit der Waferbondverbindung ist hierbei wesentlich höher. So wird die Festigkeit der Verbindung nach dem Initialkontakt beispielsweise durch nachfolgende Auslagerungen des Verbunds bei erhöhter Temperatur

(100°C bis 1100°C) oder auch in Verbindung mit einer Plasmavorbehandlung der Oberfläche wesentlich gesteigert. Je höher die Auslagerungstemperatur ist, desto höher steigt die Festigkeit. Dies wird für verschiedene Anwendungen, beispielsweise bei der Verbindungstechnik für Mikrosysteme, gezielt durchgeführt, kann aber auch als Nebeneffekt auftreten, wenn der Waferverbund aus anderen Gründen erwärmt werden muss, z.B. um Oberflächen thermisch zu oxidieren. Wird der Waferverbund als Handlingsystem eingesetzt, müssen auch diese sehr festen Bondverbindungen wieder getrennt werden. Diese Verbindungen sind bisher nur mit den erstgenannten Ver- fahren trennbar.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zum Handhaben von Halbleitersubstraten bei der Prozessierung und/oder Bearbeitung an- zugeben, das die einfache Handhabung von insbesondere dünnen Halbleitersubstraten ohne die Notwendigkeit spezieller Zwischenschichten auf einem Trägersubstrat ermöglicht und keine nennenswerten Abfallprodukte verursacht .

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst. Eine Vorrichtung zur Trennung verbun- dener Substrate bei der Durchführung des Verfahrens ist in Anspruch 17 angegeben. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind Gegenstand der Unteransprüche .

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird das zu prozessierende Halbleitersubstrat mit einem Trägersubstrat verbunden, auf dem Trägersubstrat prozessiert und/oder bearbeitet und anschließend vom Trägersubstrat ge- trennt. Zur Trennung vom Trägersubstrat werden eine oder mehrere Schneiden oder Spitzen parallel zu einer Oberfläche des Halbleitersubstrates derart mit variierender Vorschubgeschwindigkeit in den Verbindungsbe- reich zwischen dem Halbleitersubstrat und dem Trägersubstrat eingeschoben, dass zunächst ein oder mehrere Anrisse in dem Verbindungsbereich erzeugt werden, die sich durch weiteres Einschieben der Schneiden oder Spitzen vollständig im Verbindungsbereich ausbreiten und zur Trennung der beiden Substrate führen.

Für diese Trennung ist somit keine spezielle Zwischenschicht zwischen dem Trägersubstrat und dem Halbleitersubstrat erforderlich. Die Trennung erfolgt rein mechanisch ohne Einsatz eines Ätzverfahrens . Es entste- hen daher keine oder nur sehr wenige zu entsorgende Abfallprodukte. Der nicht benötigte Bereich des Trägersubstrates, welcher beim konventionellen Rückdünnen zerstört wird, bleibt beim vorliegenden Verfahren erhalten und steht als neues Ausgangssubstrat für das Verfahren wieder zur Verfügung. Das erfindungsgemäße

Verfahren erlaubt die technologische Prozessierung dünner Halbleitersubsträte, insbesondere Wafer, indem durch die Verbindung mit dem Trägersubstrat ein steiferer Verbund erzeugt wird, der sich während der Handha- bung, d.h. insbesondere bei der Prozessierung und/oder Bearbeitung, nicht verbiegt und eine höhere mechanische Belastbarkeit aufweist. Damit ist das Durchlaufen aller Prozessschritte möglich. Die resultierende Oberfläche an der Rückseite des Halbleitersubstrates besitzt nach der Trennung vom Trägersubstrat eine deutlich geringere Rauheit als eine rückgeschliffene Waferoberflache . Das Verfahren eignet sich insbesondere für die Handhabung dünner Halbleitersubstrate bzw. Halbleiterschichten mit einer Dicke unterhalb von 300 μm.

Bei dem vorliegenden Verfahren werden die beiden Substrate zunächst mit einem geeigneten Fügeverfahren miteinander verbunden. Hierbei kann beispielsweise das Verfahren des direkten Waferbondens angewendet werden. Das Halbleitersubstrat ist dabei in der Regel dünner als das Trägersubstrat, das zur Versteifung des entste- henden Verbundes dient. Die beiden Substrate können aus dem gleichen oder aus unterschiedlichen Materialien bestehen. So kann beispielsweise auch ein Trägersubstrat aus einem Glasmaterial eingesetzt werden. Die beiden Substrate können im Bereich der Fügezone auch eine Oberflächenschicht oder eine Oberflächenstrukturierung, wie Vertiefungen oder Gruben, aufweisen. Durch die Auswahl der Parameter bei der Herstellung der Fügeverbindung oder eine gezielte Nachbehandlung (z.B. Auslagerung bei einer bestimmten erhöhten Temperatur) ist eine definierte Einstellung der Haftfestigkeit zwischen Halbleiter- und Trägersubstrat möglich.

Nach dem Verbinden der beiden Substrate kann der dadurch entstandene Verbund auf verschiedene Weise prozessiert und/oder bearbeitet werden. So kann das Halb- leitersubstrat beispielsweise einer Beschichtung, einer Implantation, einer Strukturierung, einer Dotierung, einer Wärmebehandlung oder anderen typischen Bearbei- tungsschritten der Halbleitertechnologie unterzogen werden. Die Art der Prozessierung ist hierbei nicht auf niedrige Temperaturen beschränkt. Es können vielmehr auch Temperaturen oberhalb von 1000° C auftreten.

Nach der Prozessierung und/oder Bearbeitung werden in der Verbindungsebene bzw. VerbindungsSchicht zwi- sehen den beiden Substraten ein oder mehrere Anrisse erzeugt, die sich in definierter Weise in dieser Fügeverbindung ausbreiten. Dies führt schließlich zur Trennung der beiden Substrate. Die Trennung erfolgt hierbei parallel zur Substrat- oder Waferoberflache, ohne das Substratmaterial zu beschädigen.

Nach dem Trennen liegen das bearbeitete Halbleitersubstrat und das Trägersubstrat einzeln vor. Das Halbleitersubstrat kann nun durch Sägen zu einzelnen Bauelementen bzw. Chips vereinzelt werden. Das Trägersubstrat steht nach einer eventuell notwendigen Oberflächenbehandlung, wie Polieren und Reinigen, wieder als neues Trägersubstrat zur Verfügung.

Bei einer Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt das Zerteilen in einzelne Chips bereits vor dem Trennen der beiden Substrate durch Sägen des gesamten Verbundes . In diesem Fall werden die Bauelemente bzw. Chips des Halbleitersubstrates einzeln von den zerteilten Einheiten des Trägersubstrates gelöst.

Es versteht sich von selbst, dass das Verfahren auch mit einem Halbleitersubstrat durchgeführt werden kann, das die gleiche Dicke wie das Trägersubstrat auf- weist. Das Halbleitersubstrat kann beispielsweise auch erst nach dem Verbinden mit dem Trägersubstrat auf eine geringere Dicke rückgedünnt werden.

Die Erzeugung der ein oder mehreren Anrisse im Verbindungsbereich, d.h. in der Verbindungsebene oder einer Verbindungsschicht zwischen den beiden Substraten, erfolgt mechanisch. Die mechanische Einbringung hat den Vorteil einer guten Kontrolle der Erzeugung der Anrisse.

Die Anrisse werden hierbei durch Einschieben von beispielsweise metallischen Schneiden oder Klingen von der Seite in die Verbindungsebene bzw. Verbindungsschicht zwischen Halbleitersubstrat und Trägersubstrat erzeugt. Durch weiteres Einschieben dieser Spitzen oder Klingen breiten sich die Anrisse schließlich in der gesamten Verbindungszone zwischen beiden Substraten aus, so dass sich die Substrate voneinander lösen.

Hierbei ist zu beachten, dass im ersten Stadium der Trennung die Belastung durch die Schneiden oder Klingen keineswegs größer sein darf als die (zügige) Festigkeit der Verbindung, um eine Trennung mittels subkritischem Risswachstum zu erreichen. Die Belastung muss vielmehr kleiner sein als die zügige Festigkeit, jedoch größer als die Ermüdungsfestigkeit bzw. Dauerfestigkeit. Hierdurch werden zunächst Anrisse durch das so genannte subkritische Risswachstum erzeugt. Ohne diese Ermüdungsanrisse ist eine Trennung der gebondeten Grenzfläche nicht möglich. Im zweiten Stadium der Trennung kann die Geschwindigkeit erhöht werden, jedoch darf auch hier eine bestimmte Grenzgeschwindigkeit nicht überschritten werden. Auch hier bleibt die Bean- spruchung unterhalb der Grenze der zügigen Festigkeit.

Besonders vorteilhaft ist daher, wenn die Klingen oder Spitzen zunächst sehr langsam, das heißt mit Vorschubgeschwindigkeiten von < 1 μm/s, in den Verbin- dungsbereich eingeschoben und mit zunehmender Eindringtiefe schneller vorwärts bewegt werden. ) t- tNJ H^J o LΠ o Π σ LΠ

I

den Kraft ist die Rissgeschwindigkeit größer als die Vorschubgeschwindigkeit der Klinge. Die Anrisserzeugung ist beendet, wenn sich ein geeigneter Riss von einigen mm Länge ausgebildet hat. Dies wird durch ein starkes Abfallen der Kraft bei zunehmender Belastung signalisiert .

Nach der Erzeugung eines derart großen Anrisses kann der Trennprozess mit höheren Vorschubgeschwindig- keiten, beispielsweise 1 bis 10 mm/s, fortgesetzt wer- den. Der Riss breitet sich dann mit dieser Geschwindigkeit über den gesamten Substratguerschnitt in der Fügezone aus, wodurch die beiden Substrate vollständig voneinander getrennt werden.

Die dargelegten Zusammenhänge zwischen dem Verhalten der gemessenen Kraft und der Ausbreitung der Anrisse lässt sich vorteilhaft zur Steuerung der Vorschubge- schwindigkeit einsetzen. So kann bei einer unter einen vorgebbaren Grenzwert abgesunkenen Kraft die Vorschub- geschwindigkeit erhöht werden, da sich in diesem Fall der Riss bereits mit einer im Vergleich zur Vorschubgeschwindigkeit höheren Geschwindigkeit ausbreitet. Ebenso kann eine Kraftänderung über ein bestimmtes Zeitintervall als Grenzwert für eine Erhöhung oder Erniedri- gung der Vorschubgeschwindigkeit herangezogen werden. Bei einer Erhöhung der Kraft über einen bestimmten Grenzwert kann die Vorschubgeschwindigkeit reduziert werden, um eine mögliche Zerstörung der Substrate zu verhindern. Unter einer Verringerung der Vorschubge- schwindigkeit ist in diesem Zusammenhang auch eine Vorschubpause (Vorschubgeschwindigkeit = 0) zu verstehen. Die Vorschubpause kann wiederum bei der Unterschreitung eines Grenzwertes für die Kraft beendet und die Vorschubgeschwindigkeit entsprechend erhöht werden.

Während des Trennprozesses wird das Halbleitersub- strat vorzugsweise über einen Vakuumsauger gehalten oder mit einer Zugkraft senkrecht zur Substratoberfläche beaufschlagt.

Das Verbinden der beiden Substrate zu Beginn des Verfahrens erfolgt vorzugsweise derart, dass zwischen beiden Substraten nach dem Verbinden entweder nur eine natürliche Oxidschicht (10 - 30 Ä Dicke) oder eine bzw. zwei thermische Oxidschichten mit einer Dicke von typischerweise etwa 500 nm vorliegen. Für die spätere Tren- nung ist die Art der Verbindung der beiden Substrate unerheblich. Ebenso kann die Verbindung einer Temperaturbehandlung unterworfen werden, um die Adhäsion zwischen beiden Substraten zu erhöhen. Auch in diesem Fall lassen sich die beiden Substrate mit dem Trennverfahren problemlos voneinander lösen.

Die Vorrichtung zur Trennung der beiden Substrate besteht aus einer Halterung für die Substrate, zumindest einer Schneide oder Spitze zum Erzeugen des Anris- ses in dem Verbindungsbereich zwischen den beiden Substraten, einer Vorschubeinrichtung zum kontrollierten Einschieben der Schneide oder Spitze in den Verbindungsbereich sowie einer Steuerung zur Änderung der Vorschubgeschwindigkeit der Vorschubeinrichtung während des Einschiebens der Schneide oder Spitze in den Verbindungsbereich. Vorzugsweise sind mehrere Schneiden oder Spitzen symmetrisch um die Halterung angeordnet. Bei einem Einsatz mehrerer Schneiden haben diese vor- zugsweise einen trapezförmigen Umriss, um sie möglichst tief in den Verbindungsbereich zwischen den beiden Substraten einschieben zu können, ohne dass sie dabei aneinander stoßen. Die Dicke der Schneiden oder Spitzen liegt im Bereich von unter 1 mm, wobei die Spitze bzw. der spitz zulaufende Bereich der Klinge natürlich deutlich schmäler sein muss.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren sowie die zugehörige Vorrichtung v/erden nachfolgend ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens nochmals beispielhaft anhand der beiliegenden Figuren erläutert. Hierbei zei- gen:

Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel für die grundsätzliche Handhabung des Halbleitersubstrates bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens;

Figur 2 ein zweites Beispiel für die grundsätzliche Handhabung des Halbleitersubstrates bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ; Figur 3 ein Beispiel für eine Vorrichtung zur Trennung der Substrate beim vorliegenden Verfahren;

Figur 4 ein Messdiagramm, das die Kraft, mit der die Klinge der Vorrichtung in die Fügeverbindung gedrückt wird, als Funktion der Zeit für unterschiedliche Vorschubgeschwindigkeiten darstellt; und Figur 5 ein drittes Beispiel für die grundsätzliche Handhabung des Halbleitersubstrates bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens .

Bei einem ersten Ausführungsbeispiel, wie dies in Figur 1 dargestellt ist, werden dünne Bauelemente gefertigt, für die ein Prozesswafer bereits in der erforderlichen Dicke vorliegt bzw. gefertigt werden kann. Dieser Prozesswafer 1 mit einer Dicke von beispielsweise 200 μm wird mit einem Trägerwafer 2 mit einer Dicke von beispielsweise 525 μm verbunden. Der Trägerwafer besitzt auf der zu fügenden Oberfläche eine dünne Siliziumdioxidschicht (in der Figur nicht zu erkennen) , die durch thermische Oxidation erzeugt wurde. Die Verbindung der beiden Wafer erfolgt mit dem Verfahren des direkten Waferbondens (Schritte 1. und 2.) . Im nächsten Schritt wird der obenliegende Prozesswafer 1 im Rahmen einer Prozessierung mit den für die herzustellenden Bauelemente erforderlichen mikroelektronischen oder mikromechanischen Strukturen 3 versehen (Schritt 3.).

Anschließend werden die gebondeten Wafer 1, 2 gezielt wieder voneinander gelöst. Hierzu werden die Wa- fer mit einer mechanischen Belastung in vertikaler und horizontaler Richtung beaufschlagt (Schritt 4.). Dies erfolgt durch eine vertikale Vakuumansaugung und eine kombinierte Anrisserzeugung durch seitlich eingeschobene Teile (nicht dargestellt) . In der gebondeten Grenz- fläche bzw. in deren Umgebung breitet sich ein Riss parallel zur Waferoberflache aus, der den Prozesswafer 1 vom Trägerwafer 2 trennt (Schritt 5.). Der abgelöste Trägerwafer kann nach einer eventuell notwendigen Ober- J t t μ» o LH o LΠ o LΠ

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1

fern dargestellt. Die Vorrichtung weist weiterhin für jede der Klingen eine Vorschubeinheit 6 auf, mit der geeignete Vorschubgeschwindigkeiten erzielt werden können. Als Vorschubeinheiten werden bei diesem Beispiel elektrische Antriebe mit mechanischer Übersetzung verwendet. Die Klingen 5 sind trapezförmig, so dass ein tiefes Einschieben der Klingen in die Fügeverbindung ermöglicht wird, ohne dass sich diese gegenseitig beeinflussen. Die Klingendicke beträgt im vorliegenden Beispiel 600 μm. Durch die symmetrische Anordnung der Klingen um die Halterung wird eine gleichmäßige Belastung der Fügeverbindung ermöglicht.

Im folgenden Ausführungsbeispiel werden die Para- meter für die Durchführung der Trennung eines Trägerwafers mit einer Dicke von 525 μm von einem Prozesswafer mit einer Dicke von 250 μm angegeben, wobei beide Wafer auf ihren zu verbindenden Oberflächen mit thermischem Oberflächenoxid mit einer Dicke von 500 nm beschichtet sind. Zur Herstellung der Fügeverbindung wird zunächst eine RCA-Waferreinigung durchgeführt. Das Bonden der beiden Wafer erfolgt bei Raumtemperatur. Bei der nachfolgenden Prozessierung zur Herstellung der Bauelemente im Prozesswafer, wie dies beispielsweise bei den Aus- führungsbeispielen der Figuren 1 und 2 erfolgt, treten Prozesstemperaturen bis zu 1100° C auf.

Die Trennung erfolgt in der bereits beschriebenen Weise durch seitlichen Einschub von vier Klingen mit einer Vorrichtung, wie sie in der Figur 3 dargestellt ist. Die Trennung erfolgt hierbei zwischen den beiden thermischen Oxidschichten. Zur Trennung ist es notwendig, dass im Anfangsstadium des Einschiebens der Klingen Anrisse in der Fügezone erzeugt werden. Die Anrisserzeugung erfolgt im vorliegenden Fall durch ein im Vergleich zur eigentlichen Trennung langsameres Einschieben der Klingen in die Fügeverbindung. Zusätzlich wird der Vorschub für eine definierte Zeit gestoppt. In diesem Stadium sorgen die Ermüdungseffekte zur Ausbildung von einem oder mehreren Anrissen. Die Risswachstumsgeschwindigkeit beträgt dabei 0,1 nm/s bis 100 μm/s. Tabelle 1 gibt ein Beispiel für die Vorschubparameter zur Anrisserzeugung an, bei der die Vorschubgeschwindigkeit in Stufen erhöht wird, wobei zwischen den einzelnen Stufen jeweils eine Vorschubpause eingelegt wird.

Tabelle 1:

Bei der Anwendung dieser Parameter wird ein her- vorragendes Trennergebnis erzielt. Eine Messung der über die Klinge auf die Fügeverbindung wirkenden Kraft ergibt die in Figur 4 aufgezeigte Kurve. In dieser Figur ist die Kraft, mit der die Klinge in die Fügever- bindung gedrückt wird, als Funktion der Zeit für die unterschiedlichen Stufen bzw. Vorschubgeschwindigkeiten der Tabelle 1 aufgetragen. Die einzelnen Stufen sind in der Tabelle gekennzeichnet. Man erkennt sehr gut die zu Beginn jeder Steigerung der Vorschubgeschwindigkeit sprunghaft ansteigende Kraft, die sich nach der Abschaltung des Vorschubs jeweils wieder erniedrigt. Bei späteren Stufen ist deutlich der Effekt einer nachlassenden Kraft bei konstanter Vorschubgeschwindigkeit zu erkennen, der auf ein schnelleres Risswachstum hinweist. Der starke Abfall der Kraft bei zunehmender Belastung von Schritt 4 zu Schritt 5 ist ein deutliches Anzeichen dafür, dass ein geeignet großer Anriss in der Verbindungszone zwischen beiden Wafern entstanden ist. Nach der Erzeugung dieses Anrisses kann der Trennpro- zess mit höheren Vorschubgeschwindigkeiten von beispielsweise 1 - 10 mm/s fortgesetzt werden. Der Riss breitet sich dann mit dieser Geschwindigkeit über den gesamten Waferquerschnitt aus, wodurch die beiden Wafer vollständig getrennt werden.

Eine Nachbehandlung des Prozesswafers ist in der Regel nicht erforderlich. Im Bedarfsfall kann das Oberflächenoxid durch Polieren oder Ätzen entfernt werden. Der Trägerwafer kann nach einer Reinigung oder gegebenenfalls nach einer Entfernung des Oxides durch Polieren oder Ätzen und einer Neuoxidation erneut als Trägerwafer eingesetzt werden.

Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Anwendung des vorliegenden Verfahrens zur Erzeugung mikromechanischer Strukturen. e o G W Φ α

G υ =P

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o m o LD o m o rH rH CN CN

chanismen (subkritisches Risswachstum) erforderlich, die auch durch vorausgehende quantitative Untersuchungen erhalten werden kann. Die Einhaltung der entsprechenden Grenzwerte der Belastung und Vorschubgeschwin- digkeit der Klinge kann durch folgende alternative Maßnahmen sichergestellt werden:

- Vorgabe eines geeigneten Vorschub-Geschwindigkeitsprofils (Vorschubsteuerung) , wobei z.B. anfangs geringe, später höhere Einschubgeschwindigkeiten vor- gesehen werden können;

- Geschwindigkeitsregelung des Vorschubs, wobei der Vorschub registriert und ein Regelsignal abgeleitet wird;

- analog über eine KraftSteuerung der Vorschubge- schwindigkeit ; oder

- über eine Kraftregelung der Vorschubgeschwindigkeit.

Bei Durchführung des Trennprozesses ohne Regelung kann alternativ zur Vorgabe eines Geschwindigkeitspro- fils in Abhängigkeit von der Belastungsdauer bzw. Riss- länge auch ein Belastungsprofil in Abhängigkeit von der Belastungsdauer bzw. Risslänge vorgegeben werden.

Bezugszeichenliste

dünner Prozesswafer bzw. Halbleiterschicht Trägerwafer Bauelementstruktur Halterung für Wafer Klingen Vorschubeinrichtung SOI-Wafer weiterer Wafer Oxidschicht

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Handhaben von Halbleitersubstraten bei der Prozessierung und/oder Bearbeitung, bei dem das zu prozessierende Halbleitersubstrat (1) mit einem Trä- gersubstrat (2) verbunden ist oder wird, auf dem Trägersubstrat (2) prozessiert und/oder bearbeitet und anschließend vom Trägersubstrat (2) getrennt wird, dadurch gekennzeichnet, dass zur Trennung vom Trägersubstrat (2) eine oder meh- rere Schneiden (5) oder Spitzen parallel zu einer Oberfläche des Halbleitersubstrates (1) derart mit variierender Vorschubgeschwindigkeit in den Verbindungsbereich zwischen dem Halbleitersubstrat (1) und dem Trägersubstrat (2) eingeschoben werden, dass zunächst ein oder mehrere Anrisse in dem Verbindungsbereich erzeugt werden, die sich durch weiteres Einschieben der Schneiden (5) oder Spitzen vollständig im Verbindungsbereich ausbreiten und zur Trennung der beiden Substrate führen.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schneiden (5) oder Spitzen mit einer Vorschubgeschwindigkeit in den Verbindungsbereich eingeschoben werden, die von einem anfänglichen ersten Wert auf einen höheren zweiten Wert gesteigert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass der anfängliche erste Wert bei ≤ 1 μm/s und der höhere zweite Wert bei > 1 μm/s liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubgeschwindigkeit in Stufen erhöht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 6 , dadurch gekennzeichnet, dass nach der ersten und gegebenenfalls weiteren Stufen der Vorschub für ein bestimmtes Zeitintervall unterbrochen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die über die ein oder mehreren Schneiden (5) oder Spitzen auf den Verbindungsbereich ausgeübte Kraft während des Einschiebens gemessen und zur Steuerung der Vorschubgeschwindigkeit herangezogen wird.

7. Verfahren nach Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubgeschwindigkeit erhöht wird, wenn die gemessene Kraft unter einen ersten vorgebbaren Wert ab- gesunken ist.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7 , dadurch gekennzeichnet, dass die Vorschubgeschwindigkeit erniedrigt wird, wenn die gemessene Kraft einen zweiten vorgebbaren Wert erreicht hat .

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat (1) bei der Trennung mit einer Zugkraft senkrecht zu einer Oberfläche des Halb- leitersubstrates (1) beaufschlagt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden des Halbleitersubstrates (1) mit dem Trägersubstrat (2) durch ein Fügeverfahren erfolgt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden durch ein Waferbond-Verfahren, wie beispielsweise direktes, anodisches, eutektisches, ad- häsives oder Glass-Fritt Waferbonden, erfolgt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Haftfestigkeit zwischen Halbleitersubstrat (1) und Trägersubstrat (2) durch die Wahl der Parameter für das Waferbonden oder eine gezielte Nachbehandlung definiert eingestellt bzw. erhöht wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat (1) und/oder das Trägersubstrat (2) vor dem Verbinden auf einer Verbindungsfläche mit einer dünnen Oxidschicht versehen wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Halbleitersubstrat (1) nach dem Verbinden mit dem Trägersubstrat (2) rückgedünnt wird.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Bearbeiten des Halbleitersubstrates (1) das Zersägen in einzelne Einheiten umfasst.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennung des Halbleitersubstrats (1) vom Trägersubstrat (2) durch eine definierte Temperaturerhöhung und/oder den Zusatz eines flüssigen oder gasförmigen Mediums beschleunigt wird.

17. Vorrichtung zur Trennung zweier verbundener Substrate bei einem Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche mit

- einer Halterung (4) für die verbundenen Substrate, - zumindest einer Schneide (5) oder Spitze zum Erzeugen eines Anrisses in einem Verbindungsbereich zwischen den verbundenen Substraten, und

- einer Vorschubeinrichtung (6) zum Einschieben der Schneide (5) oder Spitze in den Verbindungsbereich, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung zur Änderung der Vorschubgeschwindigkeit der Vorschubeinrichtung während des Einschiebens der Schneide (5) oder Spitze in den Verbindungsbereich vorgesehen ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Schneiden (5) oder Spitzen mit Vorschu- beinrichtungen symmetrisch um die Halterung (4) angeordnet sind.

19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass an jeder Schneide (5) oder Spitze eine Kraftmesseinrichtung vorgesehen ist, die die über die Schneide oder Spitze auf den Verbindungsbereich ausgeübte Kraft während des Einschiebens misst und mit der Steuerein- heit verbunden ist, die die Vorschubeinrichtung (en) (6) in Abhängigkeit von der gemessenen Kraft ansteuert.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schneiden (5) trapezförmig ausgestaltet sind.