WO2008001626A1 - Wafer bonding apparatus - Google Patents

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WO2008001626A1 PCT/JP2007/062106 JP2007062106W WO2008001626A1 WO 2008001626 A1 WO2008001626 A1 WO 2008001626A1 JP 2007062106 W JP2007062106 W JP 2007062106W WO 2008001626 A1 WO2008001626 A1 WO 2008001626A1
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wafer bonding
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Shigeto Izumi
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Nikon Corporation
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Definitions

  • the present invention relates to a wafer bonding apparatus for manufacturing a semiconductor integrated circuit by superposing a plurality of wafers and bonding electrodes together.
  • the present invention relates to an apparatus for bonding a wafer while heating and pressurizing plural wafers.
  • One method for increasing the density and functionality of semiconductor integrated circuits is to stack wafers.
  • it is necessary to form a bonding electrode on the surface of the wafer on which the circuit has been formed, and to contact and bond the electrodes of two wafers or an already stacked wafer to the next wafer to be stacked. is necessary.
  • the important points are to bring the electrodes into uniform contact and to activate the electrode bonding surface.
  • heating is performed.
  • FIG. 15 is a view showing a cross section of two wafers 201U and 201L to be bonded.
  • the surface of the wafer has irregularities of 3 to 5 microns (Fig. 15A). This unevenness is due to variations in wafer thickness.
  • pressure is applied from both sides of the two wafers 201U and 201L that are overlapped. In this case, when the wafer bonding surface becomes flat, variations in wafer thickness appear on the surface opposite to the wafer bonding surface (FIG. 15B). Therefore, in order to remove the influence of the wafer thickness variation on the flatness of the bonded surface of the wafer, it is necessary to apply pressure and heat and absorb the wafer thickness variation. [0006] In order to increase the flatness of the bonding surface of the wafer, it is also necessary to change the shape of the pressing surface.
  • the wafer bonding apparatus arranges a plurality of wafers to be bonded between an upper unit and a lower unit, and bonds the wafers while applying pressure and heating by the upper unit and the lower unit.
  • a wafer bonding apparatus includes a top plate, a pressure profile control module, and a heater unit for heating disposed between the top plate and the pressure profile control module.
  • the wafer bonding apparatus according to the present invention is characterized in that the shape change generated on the surface of the pressure profile file control module is brought to the surface of the top plate.
  • the shape of the surface of the top plate, which is the pressing surface can be changed by changing the shape of the surface of the pressure profile control module. Therefore, the flatness of the bonding surface of the wafer can be increased.
  • a wafer bonding apparatus is configured such that a hollow portion is provided in a pressure profile control module so that the pressure in the hollow portion can be controlled, and variations in wafer thickness are absorbed to reduce the bonding surface. The flatness is improved.
  • the pressure profile control module by controlling the pressure in the inner space of the pressure profile control module, the pressure profile control module is deformed to absorb the wafer thickness variation and bond.
  • the flatness of the surface can be improved.
  • a wafer bonding apparatus is characterized in that the heater section includes a plurality of heat module.
  • the pressure profile control module can be faithfully transmitted to the top plate.
  • the deformation of the top plate caused by the wafer thickness variation can be faithfully transmitted to the pressure profile control module, and the pressure profile control module force can reliably absorb the wafer thickness variation.
  • a wafer bonding apparatus that performs pressure and heating and changes the shape of the pressure surface so as to increase the flatness of the bonded surface of the wafer to absorb variations in wafer thickness. It is done.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an entire wafer bonding apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A is a diagram showing a configuration of a heater unit.
  • FIG. 2B is a diagram showing a configuration of a modified example of the heater unit.
  • FIG. 3 is a diagram showing an arrangement of a plurality of heat modules.
  • FIG. 4 is a diagram showing a configuration of a heat module.
  • FIG. 5 is a diagram showing a configuration of a cooling pipe of the heat module.
  • FIG. 6 is a diagram showing the shape of a heat module support member.
  • FIG. 7 is a diagram showing the shape of a heat insulating member.
  • FIG. 8 is a diagram showing a configuration of a pressurizing unit.
  • FIG. 9 is a diagram conceptually showing the shape of a pressure profile control module.
  • FIG. 10 is a diagram conceptually showing the shape of the heater unit in a pressurized state.
  • FIG. 11 is a conceptual diagram showing the configuration of a pressure profile control module according to another embodiment that changes the shape of the surface of the top plate.
  • FIG. 12 is a conceptual diagram showing the configuration of a pressure profile control module according to still another embodiment that changes the shape of the surface of the top plate.
  • FIG. 13 is a diagram showing another embodiment in which the shape of the surface of the top plate is changed.
  • FIG. 14 is a flowchart showing an example of a method for pressurizing and heating a workpiece.
  • FIG. 15 is a view showing a cross section of two wafers to be joined.
  • FIG. 16 is a view showing a heat module and a heat module attached to a top plate.
  • FIG. 17 is a diagram showing thermal deformation of the heat module attached to the surface of the top plate using a reamer bolt and a heat-resistant spring.
  • FIG. 18 is a diagram showing thermal deformation of a heat module attached to the top plate surface using only screws.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an entire wafer bonding apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the wafer bonding apparatus includes a pressurizing unit 141 and a base 151 housed in the vacuum chamber 161 and attached to the vacuum chamber 161.
  • the pressurizing unit 141 includes a base 145 of the pressurizing unit and a lifting unit 143 of the pressurizing unit.
  • a lower heater unit 101L is attached to the elevating unit 144 of the pressurizing unit.
  • the upper heater unit 101U is attached to the base 151.
  • a wafer held by the wafer holder WH is arranged between the upper heater unit 101U and the lower heater unit 101L, and the upper and lower heater units 101U and 101L are lifted by raising and lowering the lifting unit 143 of the pressure unit. The pressure is applied between the two and the calorie is heated.
  • FIG. 2A is a diagram showing the configuration of the upper heater unit 101U and the lower heater unit 101L.
  • the upper and lower heater units are simply referred to as heater unit 101.
  • the heater unit 101 includes a top plate 111, a top plate base 113, a plurality of heat modules 121, a heat module support member 125, a heat insulating member 127, and a pressure profile control module 131.
  • the pressure profile control module 131 is provided with a hollow portion 133, and an air pipe 135 is connected to the hollow portion 133 so that the internal pressure can be controlled by an electropneumatic regulator (not shown). Further, the pressure profile control module 131 is provided with a cooling unit 137 and a cooling pipe 139.
  • the top plate 111 has a diameter of 220 mm and a thickness of 10 mm and is made of carbon carbide.
  • the top plate base 113 is, for example, carbonized with a diameter of 320 mm and a thickness of 1 mm. Consists of key elements.
  • a heat insulation ring (not shown) that also has a low thermal conductivity ceramic force may be provided.
  • the pressure profile control module 131 is composed of three plates, an upper part, an intermediate part, and a lower part.
  • each of the three plates has a diameter of 225 mm and a thickness of 10 mm and is made of carbonized carbide.
  • the thickness of the hollow part 133 is 2 millimeters as an example.
  • FIG. 2B is a diagram showing a configuration of a modification 101A of the heater unit.
  • the heater unit 101A includes a top plate 111, a top plate base 113, a plurality of heat modules 121, a top plate support member 126, a heat insulating member 127, and a pressure profile control module 131.
  • the top plate support member 126 force top plate 111 fixed to the pressure profile control module 131 is supported.
  • the top plate support member 126 passes through an opening provided in the heat module 121.
  • top plate 111 The configurations of the top plate 111, the top plate base 113, and the pressure profile control module 131 of the heater unit 101A are the same as the corresponding parts of the heater unit 101.
  • FIG. 3 is a diagram showing a planar arrangement of the plurality of heat modules 121.
  • one heat module is arranged at a position (center part) corresponding to the center of the top plate 111, six around its periphery (intermediate part), and twelve heat modules around it (peripheral part). ing.
  • the heater section By dividing the heater section into a plurality of heat modules, it becomes easy to absorb the deformation of the top plate 111 caused by variations in wafer thickness. Further, as will be described later, temperature control can be performed individually. Furthermore, it becomes easy to control the shape of the surface of the top plate 111 as will be described later.
  • the heater section is preferably divided into a plurality of heat modules. However, if the thickness is reduced to facilitate deformation, an integrated heater may be used.
  • FIG. 4 is a diagram showing a configuration of the heat module 121.
  • the shape of the heat module 121 may be a hexagon, for example. As an example, the thickness of the heat module is 10 mm.
  • the heat module includes an electric heater 123.
  • a thermocouple such as a thermocouple or a resistance temperature detector is installed at a position on the top plate 111 corresponding to the heat module 121, and the temperature control is performed by operating the output of the electric heater 123.
  • the temperature control by the electric heater 123 may be feedback control by a phase control method using a measurement value of a thermometer as a control amount. Temperature control may be performed for each heat module. You can also group them into a central part (1), an intermediate part (6), and a peripheral part (12).
  • FIG. 16 is a diagram showing the heat module 121 and the heat module 121 attached to the top plate 111.
  • the heat module 121 is attached to the surface of the top plate 111 opposite to the surface facing the wafer using a reamer bolt 1211A and a heat resistant spring 1213.
  • FIG. 17 is a diagram showing thermal deformation of the heat module 121 attached to the surface of the top plate 111 using a reamer bolt 1211A and a metathermal spring 1213. Since the temperature near the electric heater 123 is the highest, the thermal expansion around the electric heater 123 of the heat module 121 is the highest. Therefore, the surface facing the top plate 111 of the heat module 121 is curved. In the present embodiment, the heat module 121 is compressed by heat resistance 1213 force S due to thermal deformation of the heat module 121, and a gap is formed between the heat module 121 and the top plate 111 as shown in FIG.
  • FIG. 18 is a diagram showing thermal deformation of the heat module 121 attached to the surface of the top plate 111 using only the screws 1211B.
  • the surface of the heat module 121 facing the top plate 111 is curved, and stress is generated in the direction indicated by the arrow on the top plate 111. As a result, the top plate 111 is also deformed, which is not convenient.
  • FIG. 5 is a diagram showing a configuration of the cooling pipe of the heat module.
  • Cooling piping passes through heat module 121 are arranged as follows.
  • the cooling is water cooling, and the cooling pipe has four powers.
  • the inlet (IN) and outlet (OUT) of each system are indicated by numbers (1 to 4).
  • FIG. 6 is a view showing the shape of the heat module support member 125.
  • the heat module support member 125 is provided for each heat module 121.
  • the heat module support member 125 has a frame shape, that is, a hollow mouth shape.
  • the reason for the frame shape is to reduce the cross-sectional area so that the amount of heat transferred from the heat module 121 to the pressure profile control module 131 is as small as possible.
  • the material of the heat module support member 125 is preferably ceramics, particularly low thermal expansion ceramics (cordierite ceramics) having low thermal conductivity.
  • the heat module support member 125 is provided with a constricted portion to facilitate deformation.
  • FIG. 7 is a view showing the shape 127 of the heat insulating member.
  • the heat insulating member 127 includes an opening 128 for the heat module support member 125. The amount of heat transferred from the heat module 121 to the pressure profile control module 131 is minimized by the heat insulating member.
  • FIG. 8 is a diagram showing a configuration of the pressurizing unit 141.
  • Pressure unit 141 includes the base 145 of the pressurizing unit and the lifting unit 143 of the pressurizing unit.
  • the internal pressure of the pressure mute base 145 is increased, and the elevating part 143 of the pressure unit is raised and lowered.
  • An electropneumatic regulator 149 may be used to control the internal pressure of the base 145 of the pressure unit.
  • the lifting unit 143 of the pressure unit is configured to move up and down along the stroke guide 148.
  • a pressure sensor such as a load cell LC is installed so as to support the base 145 of the pressurizing unit, and during pressurization, the electropneumatic regulator is operated by feedback control using the detected pressure value as a controlled variable. May be.
  • a position detection sensor for the lifting unit 143 such as a linear scale, is installed so that when the lifting unit 143 is lifted, the lifting speed is set to the target value based on the position detection value. , I will operate another electro-pneumatic regulator You may do it.
  • the plurality of wafers to be bonded are held by the wafer holder and aligned.
  • a wafer to be bonded is referred to as a workpiece.
  • FIG. 14 is a flowchart showing an example of a method for pressurizing and heating a workpiece.
  • step S010 the heater 123 raises the temperature of the top plate 111 to a predetermined temperature, for example, 400 ° C.
  • step S020 the top plate 111 is pressurized from the center or peripheral edge of the workpiece, and then the whole is pressurized.
  • the surface pressure of the top plate is, for example, a maximum of 400 kPa.
  • step S030 the workpiece is held in a pressurized and heated state for a predetermined time. Temperature control is performed so that the temperature of the entire workpiece is kept uniform according to the temperature of the thermometer installed on the top plate. Specifically, the temperatures of the central heat module, the intermediate heat module, and the peripheral heat module are individually controlled.
  • step S040 the pressure at the center or peripheral edge of the workpiece is also released.
  • step S050 the temperature of the top plate is lowered by the cooling pipe.
  • step S020 and step S030 the method of pressurizing the center portion or the peripheral portion of the workpiece in step S020 and step S030 will be described in detail.
  • FIG. 9 (A) is a diagram conceptually showing the shape of the pressure profile control module 131.
  • the lower plate is not shown.
  • An air pipe 135 is connected to the hollow portion 133, and the pressure of the hollow portion 133 is controlled by an electropneumatic regulator (not shown).
  • the center of the upper plate is displaced according to the pressure in the airspace 133.
  • FIG. 9 shows a state in which the central portion of the upper plate is displaced so that the thickness of the hollow portion 133 increases.
  • the thickness of the hollow portion is 2 millimeters as an example.
  • the deformation of the thickness of the hollow portion is 20 micrometers, each increasing and decreasing.
  • a groove 1311 may be provided on a concentric circle centered on the center of the upper plate at the peripheral edge of the outer surface of the upper plate.
  • the groove width is 10 millimeters and the depth is 6 millimeters. This Even if the center of the upper plate is displaced, the concentrated load on the peripheral portion of the upper plate can be avoided by the groove 1311.
  • FIG. 9 (B) is a diagram showing a modification of the upper plate in which grooves 1311 are provided on concentric circles around the center of the upper plate at the peripheral edge portions of the outer surface and the inner surface.
  • FIG. 9 (C) shows a groove 1 on a concentric circle centered on the center of the upper plate at the peripheral edge of the outer surface.
  • FIG. 10 is a view showing a modification of the upper plate in which 311 is provided and the thickness of the region closer to the stop than the groove 1311 is made thinner than the peripheral portion.
  • FIG. 10 is a diagram conceptually showing the shape of the heater unit 101 in the pressurized state.
  • the force due to the pressure P1 of the hollow portion 133 of the pressure profile control module 131 is F1
  • the force due to the pressure P2 of the pressurizing nut 141 is F2.
  • the control range of the electropneumatic regulator of the pressure P1 of the hollow portion 133 of the pressure profile control module 131 and the pressure P2 of the pressurizing unit 141 is, for example, 101 to 350 kilopascals.
  • the whole work is pressurized.
  • FIG. 11 is a conceptual diagram showing a configuration of a pressure profile control module 13 la according to another embodiment that changes the shape of the surface of the top plate 111.
  • the hollow part 133 of the pressure profile control module is divided into several parts by bellows. For example, as shown in FIG. 11, it may be divided into a central portion 133a, an intermediate portion 133b, and a peripheral portion 133c.
  • the central part 133a, the intermediate part 133b and the peripheral part 133c are respectively provided with pipes,
  • the internal pressure Pa, Pb and Pc can be controlled individually by the electropneumatic regulator.
  • the central portion of the pressure profile control module 131a can be made convex by making the pressure Pa of the central portion 133a higher than the pressures Pb and Pc of other portions. As a result, the center part of the surface of the top plate 111 becomes convex.
  • FIG. 12 is a conceptual diagram showing a configuration of pressure profile control modules 13 lb and 131c according to still another embodiment that changes the shape of the surface of the top plate 111.
  • FIG. 12 is a conceptual diagram showing a configuration of pressure profile control modules 13 lb and 131c according to still another embodiment that changes the shape of the surface of the top plate 111.
  • a partitioned hollow portion 133e is provided inside the hollow portion 133d of the pressure profile control module 13 lb.
  • Each of the hollow portion 133d and the hollow portion 133e is provided with a pipe so that the internal pressure can be individually controlled by the electropneumatic regulator.
  • the central portion of the pressure profile control module 131b can be convex.
  • the center part of the surface of the top plate 111 becomes convex.
  • the hollow portion 133f of the pressure profile control module 131c is provided with a divided hollow portion 133g, and the hollow portion 133g is further divided into a center portion.
  • the empty part 133h will be provided.
  • the hollow portion 133f, the hollow portion 133g, and the hollow portion 133h are respectively provided with piping so that the internal pressure can be individually controlled by the electropneumatic regulator.
  • the central part of the pressure profile control module 131c can be obtained by setting the pressure Ph of the sectioned hollow part 133h higher than the pressure Pg of the hollow part 133g and increasing the pressure Pg of the hollow part 133g to the pressure P of the hollow part 133f. Can be convex. As a result, the center part of the surface of the top plate 111 becomes convex.
  • the shape of the surface of the top plate 111 is changed by changing the shape of the pressure profile control module 131.
  • the heater section between the top plate 111 and the pressure profile control module 131 is divided into a plurality of heat modules 121, and each heat module 121 is heated.
  • the configuration in which the module 121 is supported by the pressure profile control module 131 via the individual heat module support member 125 is preferable.
  • FIG. 13 is a diagram showing another embodiment in which the shape of the surface of the top plate 111 is changed. is there.
  • a pressure ring 115 fitted to the outer periphery of the top plate 111 is provided, and the pressure ring 115 is pulled downward by the cylinder 117 to change the shape of the peripheral edge of the top plate 111.
  • the shape of the surface of the pressure profile control module is changed so as to increase the flatness of the bonding surface of the wafer, and the shape of the surface of the top plate is changed via the heat module. Can be changed. Further, the wafer thickness variation can be transmitted from the top plate to the pressure profile control module via the heat module, and absorbed by controlling the pressure of the pressure profile control module.
  • the shape of the pressure profile control module is changed by appropriately controlling the pressure and the pressurizing pressure of the hollow portion of the pressure profile control module, and the heat profile is passed through the heat module.
  • the surface shape of the top plate can be changed.
  • the wafer thickness variation can be absorbed from the top plate through the heat module to the pressure profile control module, and the pressure in the hollow portion of the pressure profile control module can be appropriately controlled.

Description

明 細 書
ウェハ接合装置
技術分野
[0001] 本発明は、複数のウェハを重ね合わせ、電極同士を接合して半導体集積回路を製 造するウェハ接合装置に関する。特に、複数のウエノ、に加熱および加圧を行いなが らウェハを接合する装置に関する。
背景技術
[0002] 半導体集積回路を使用するノートパソコンや携帯電話などは、近年、ますます高度 の機能を備えるようになつている。この結果、半導体集積回路の高密度化、高機能化 の要求が高まっている。
[0003] 半導体集積回路の高密度化、高機能化のための一つの方法は、ウェハを積層する ことである。ウェハの積層を行うには、回路形成が終わったウェハ表面に接合電極を 形成し、 2枚のウェハあるいは既に積層されたウェハとさらに積層するつぎのウェハの 電極同士を接触させ、接合することが必要である。ウェハの電極同士を接合する場合 に重要な点は、電極同士を均一に接触させることと電極接合面を活性化させることで ある。電極同士を均一に接触させるには、接合面の平面度を上げることが必要である 。また、電極接合面を活性化させるには、たとえば、加熱を行う。
[0004] このため、加圧および加熱を行いながらウェハの接合を行う装置が開発されている（ たとえば、特開 2005-302858号公報)。
[0005] 図 15は、接合される二つのウェハ 201Uおよび 201Lの断面を示す図である。ゥェ ハの表面には、 3乃至 5ミクロンの凹凸が存在する（図 15A)。この凹凸は、ウェハ厚 のばらつきに起因するものである。ウェハの接合面の平面度を上げるには、重ね合わ せた二つのウェハ 201Uおよび 201Lの両側から圧力をかける。この場合、ウェハの 接合面が平坦になると、ウェハ厚のばらつきが、ウェハの接合面と反対側の面に現れ る（図 15B)。したがって、ウェハ厚のばらつきの、ウェハの接合面の平面度への影響 を除去するには、加圧および加熱を行うと共に、ウェハ厚のばらつきを吸収する必要 がある。 [0006] また、ウェハの接合面の平面度を上げるには、加圧面の形状を変化させることも必 要である。
[0007] しかし、従来、加圧および加熱を行うと共に、ウェハの接合面の平面度を上げるよう に、加圧面の形状を変化させ、ウェハ厚のばらつきを吸収するような、ウェハの接合 装置は開発されていな力つた。
発明の開示
[0008] 加圧および加熱を行うと共に、ウェハの接合面の平面度を上げるように、加圧面の 形状を変化させ、ウェハ厚のばらつきを吸収する、ウェハ接合装置に対するニーズが ある。
[0009] 本発明によるウェハ接合装置は、上部ユニットと下部ユニットの間に、接合される複 数のウェハを配置し、上部ユニットと下部ユニットによって加圧および加熱を行いなが らウェハの接合を行う。本発明によるウェハ接合装置は、トッププレートと、圧力プロフ アイル制御モジュールと、トッププレートと圧力プロファイル制御モジュールとの間に 配置された加熱用のヒータ部と、を備える。本発明によるウェハ接合装置は、圧力プ 口ファイル制御モジュールの表面に発生させた形状の変化がトッププレートの表面に もたらされることを特徴とする。
[0010] 本発明のウェハ接合装置によれば、圧力プロファイル制御モジュールの表面の形 状を変化させることにより、加圧面であるトッププレートの表面の形状を変化させること ができる。したがって、ウェハの接合面の平面度を上げることができる。
[0011] 本発明の一実施形態によるウェハ接合装置は、圧力プロファイル制御モジュール に中空部を設け、当該中空部内の圧力を制御できるように構成し、ウェハ厚みのばら つきを吸収して接合面の平面度を向上させるようにしたことを特徴とする。
[0012] 本実施形態によるウェハ接合装置によれば、圧力プロファイル制御モジュールの中 空部内の圧力を制御することにより、圧力プロファイル制御モジュールが変形して、ゥ ェハ厚みのばらつきを吸収して接合面の平面度を向上させることができる。
[0013] 本発明の他の実施形態によるウェハ接合装置は、ヒータ部が複数のヒートモジユー ルカ なることを特徴とする。
[0014] ヒータ部が複数のヒートモジュールからなるので、圧力プロファイル制御モジュール の変形をトッププレートに忠実に伝えることができる。また、ウェハ厚のばらつきに起 因するトッププレートの変形を圧力プロファイル制御モジュールに忠実に伝えることが でき、圧力プロファイル制御モジュール力 確実にウェハ厚みのばらつき吸収するこ とがでさる。
[0015] 本発明によれば、加圧および加熱を行うと共に、ウェハの接合面の平面度を上げる ように、加圧面の形状を変化させ、ウェハ厚のばらつきを吸収する、ウェハ接合装置 が得られる。
図面の簡単な説明
[0016] [図 1]本発明の一実施形態による、ウェハの接合装置全体の構成を示す図である。
[図 2A]ヒータユニットの構成を示す図である。
[図 2B]ヒータユニットの変形例の構成を示す図である。
[図 3]複数のヒートモジュールの配置を示す図である。
[図 4]ヒートモジュールの構成を示す図である。
[図 5]ヒートモジュールの冷却用配管の構成を示す図である。
[図 6]ヒートモジュール支持部材の形状を示す図である。
[図 7]断熱部材の形状を示す図である。
[図 8]加圧ユニットの構成を示す図である。
[図 9]圧力プロファイル制御モジュールの形状を概念的に示す図である。
[図 10]加圧状態におけるヒータユ ットの形状を概念的に示す図である。
[図 11]トッププレートの表面の形状を変化させる、他の実施形態による圧力プロフアイ ル制御モジュールの構成を示す概念図である。
[図 12]トッププレートの表面の形状を変化させる、さらに他の実施形態による圧力プロ ファイル制御モジュールの構成を示す概念図である。
[図 13]トッププレートの表面の形状を変化させる、別の実施形態を示す図である。
[図 14]ワークの加圧および加熱方法の一例を示すフローチャートである。
[図 15]接合される二つのウェハの断面を示す図である。
[図 16]ヒートモジュール、およびトッププレートへ取り付けられたヒートモジュールを示 す図である。 [図 17]トッププレートの面へリーマーボルトと耐熱スプリングを使用して取り付けられた 、ヒートモジュールの熱変形を示す図である。
[図 18]トッププレートの面へネジのみを使用して取り付けられた、ヒートモジュールの 熱変形を示す図である。
発明を実施するための最良の形態
[0017] 図 1は、本発明の一実施形態による、ウェハの接合装置全体の構成を示す図であ る。
[0018] ウェハの接合装置は、真空チャンバ 161に収納され、真空チャンバ 161に取り付け られた、加圧ユニット 141およびベース 151を備える。加圧ユニット 141は、加圧ュニ ットのベース 145および加圧ユニットの昇降部 143を備える。加圧ユニットの昇降部 1 43には、下部ヒータユニット 101Lが取り付けられている。ベース 151には、上部ヒー タユニット 101Uが取り付けられている。
[0019] 上部ヒータユニット 101Uと下部ヒータユニット 101Lの間には、ウェハホルダ WHに 保持されたウェハが配置され、加圧ユニットの昇降部 143が上昇することによって上 部ヒータユニット 101Uおよび下部ヒータユニット 101Lの間で加圧されるとともに、カロ 熱される。
[0020] 図 2Aは、上部ヒータユニット 101Uおよび下部ヒータユニット 101Lの構成を示す図 である。以下において、上部および下部のヒータユニットを単にヒータユニット 101と 呼称する。
[0021] ヒータユニット 101は、トッププレート 111、トッププレートベース 113、複数のヒート モジュール 121と、ヒートモジュール支持部材 125と、断熱部材 127と、圧力プロファ ィル制御モジュール 131とを備える。圧力プロファイル制御モジュール 131には、中 空部 133が設けられ、中空部 133には、エア配管 135が接続され、図示しない電空 レギユレータにより内部圧力が制御できるように構成されている。また、圧力プロフアイ ル制御モジュール 131には、冷却部 137および冷却用配管 139が設けられて 、る。
[0022] トッププレート 111は、一例として、直径 220ミリメータ、厚さ 10ミリメータで炭化ケィ 素からなる。
[0023] トッププレートベース 113は、一例として、直径 320ミリメータ、厚さ 1ミリメータで炭化 ケィ素からなる。
[0024] トッププレート 111の周縁部とトッププレートベース 113との間に、図示しない低熱 伝導率のセラミック力もなる断熱リングを設けてもよい。
[0025] 圧力プロファイル制御モジュール 131は、上部、中間および下部の 3枚の板から構 成される。 3枚の板は、それぞれ、一例として、直径 225ミリメータ、厚さ 10ミリメータで 炭化ケィ素からなる。中空部 133の厚さは、一例として 2ミリメータである。
[0026] 図 2Bは、ヒータユニットの変形例 101Aの構成を示す図である。
[0027] ヒータユニット 101Aは、トッププレート 111、トッププレートベース 113、複数のヒート モジュール 121と、トッププレート支持部材 126と、断熱部材 127と、圧力プロフアイ ル制御モジュール 131とを備える。本変形例においては、圧力プロファイル制御モジ ユール 131に固定されたトッププレート支持部材 126力 トッププレート 111を支持し ている。トッププレート支持部材 126は、ヒートモジュール 121に設けられた開口部を 貫通している。
[0028] ヒータユニット 101Aのトッププレート 111、トッププレートベース 113および圧力プロ ファイル制御モジュール 131の構成は、ヒータユニット 101の対応部と同様である。
[0029] 以下において、図 2Aに示したヒータユニット 101について説明する。
[0030] 図 3は、複数のヒートモジュール 121の平面配置を示す図である。本実施形態にお いて、トッププレート 111の中心に対応する位置（中心部）に 1個、その周囲（中間部） に 6個、さらにその周囲（周縁部）に 12個のヒートモジュールが配置されている。
[0031] ヒータ部を複数のヒートモジュールに分割することにより、ウェハ厚のばらつきに起 因するトッププレート 111の変形を吸収しやすくなる。また、後に説明するように、個 別に温度制御を行うことができる。さらに、後に説明するように、トッププレート 111の 表面の形状を制御することが容易になる。
[0032] このように、ヒータ部は、複数のヒートモジュールに分割するのが好まし 、が、厚みを 薄くして変形しやすくすれば、一体型のヒータを使用してもょ 、。
[0033] 図 4は、ヒートモジュール 121の構成を示す図である。ヒートモジュール 121の形状 は、たとえば、六角形であってもよい。ヒートモジュールの厚さは一例として 10ミリメー タである。 [0034] ヒートモジュールは、電熱ヒータ 123を備える。トッププレート 111の、ヒートモジユー ル 121に対応する位置に、熱電対または測温抵抗体などの温度計を設置し、電熱ヒ ータ 123の出力を操作して温度制御を行うように構成してもよ 、。
[0035] 電熱ヒータ 123による温度制御は、温度計の測定値を制御量として、位相制御方 式によってフィードバック制御を行ってもよい。温度制御は、ヒートモジュールごとに行 つてもよい。また、中心部（1個）、中間部（6個）、周縁部（12個）にグループ化して、 グループごとに行ってもょ 、。
[0036] 図 16は、ヒートモジュール 121、およびトッププレート 111へ取り付けられたヒートモ ジュール 121を示す図である。ヒートモジュール 121は、トッププレート 111の、ウェハ に対向する面の反対側の面へリーマーボルト 1211Aと耐熱スプリング 1213を使用し て取り付けられる。
[0037] 図 17は、トッププレート 111の面へリーマーボルト 1211Aと而熱スプリング 1213を 使用して取り付けられた、ヒートモジュール 121の熱変形を示す図である。電熱ヒータ 123付近の温度が最も高いので、ヒートモジュール 121の電熱ヒータ 123周辺の熱膨 張が最も大きい。したがって、ヒートモジュール 121のトッププレート 111に対向する 面が湾曲する。本実施形態においては、ヒートモジュール 121の熱変形により耐熱ス プリング 1213力 S圧縮されて、図 17に示すように、ヒートモジュール 121とトッププレー ト 111の間に隙間が生じる。また、ヒートモジュール 121とトッププレート 111の間にす ベりが発生するので、一例として銅（Cu)力もなるヒートモジュール 121と、一例として 炭化珪素（SiC)からなるトッププレート 111の熱膨張率の差によってテンションが発 生することはない。この結果、トッププレートの変形は生じない。
[0038] 図 18は、トッププレート 111の面へネジ 1211Bのみを使用して取り付けられた、ヒ 一トモジュール 121の熱変形を示す図である。ヒートモジュール 121のトッププレート 111に対向する面が湾曲し、トッププレート 111に矢印で示す方向の応力が発生す る。この結果、トッププレート 111も変形してしまい都合が悪い。
[0039] 図 5は、ヒートモジュールの冷却用配管の構成を示す図である。ウェハの接合を繰り 返し行う際には、加熱および冷却を繰り返す必要があり、スループットを向上するに は、効率的に冷却を行う必要がある。冷却用配管はヒートモジュール 121を貫通する ように配置される。本実施形態において、冷却は水冷であり、冷却用配管は、 4系統 力も成る。それぞれの系統の入口（IN)と出口（OUT)とを数字（1乃至 4)で示してい る。
[0040] 図 6は、ヒートモジュール支持部材 125の形状を示す図である。ヒートモジュール支 持部材 125は、ヒートモジュール 121ごとに設けられる。このように、ヒートモジュール 支持部材 125を、ヒートモジュール 121ごとに設けることにより、ウェハ厚のばらつきに 起因するトッププレート 111の変形を圧力プロファイル制御モジュール 131に伝える ことが容易になる。
[0041] ヒートモジュール支持部材 125は、枠状、すなわち、中空の口の字形状である。枠 状とするのは、断面積を小さくして、ヒートモジュール 121から圧力プロファイル制御 モジュール 131に移動する熱量をできるだけ小さくするためである。ヒートモジュール 支持部材 125の材質は、セラミックスが好ましぐ特に、熱伝導率が低い低熱膨張セ ラミックス (コージライト系セラミックス)などが好ましい。また、ヒートモジュール支持部 材 125にくびれ部を設けて変形しやすくするのが好ましい。
[0042] 図 7は、断熱部材の形状 127を示す図である。断熱部材 127は、ヒートモジュール 支持部材 125用の開口部 128を備える。断熱部材によって、ヒートモジュール 121か ら圧力プロファイル制御モジュール 131に移動する熱量をできるだけ小さくする。
[0043] 図 8は、加圧ユニット 141の構成を示す図である。上述のように、力!]圧ユニット 141 は、加圧ユニットのベース 145および加圧ユニットの昇降部 143を備える。加圧ュ- ットのベース 145の内部圧力を増加させ、加圧ユニットの昇降部 143を昇降させる。 加圧ユニットのベース 145の内部圧力を制御するために、電空レギユレータ 149を使 用してもよい。加圧ユニットの昇降部 143は、ストロークガイド 148に沿って昇降するよ うに構成されている。
[0044] ロードセル LCなどの圧力センサを、加圧ユニットのベース 145を支持するように設 置し、加圧時には、圧力検出値を制御量として、フィードバック制御により電空レギュ レータを操作するようにしてもよい。また、リニアスケールなど、加圧ユニットの昇降部 143の位置検出センサを設置し、加圧ユニットの昇降部 143の昇降時には、位置検 出値に基づ 、て昇降速度を目標値とするように、別の電空レギユレータを操作するよ うにしてもよい。
[0045] つぎに、本発明の一実施形態による、ウェハの接合装置の動作について説明する
[0046] 接合される複数のウェハは、ウェハホルダに保持され、ァライメントされたものである
。以下の説明において、接合されるウェハをワークと呼称する。
[0047] 図 14は、ワークの加圧および加熱方法の一例を示すフローチャートである。
[0048] ステップ S010において、ヒータ 123によって、トッププレート 111の温度を、所定の 温度、たとえば、 400°Cまで上昇させる。
[0049] ステップ S020において、トッププレート 111によって、ワークの中心部または周縁部 から加圧し、その後全体を加圧する。トッププレートの面圧は、たとえば、最大 400キ 口パスカルである。
[0050] ステップ S030において、ワークを加圧および加熱した状態で所定の時間保持する 。トッププレートの設置した温度計の温度によって、ワーク全体の温度が均一に保持 されるように温度制御を行う。具体的には、中心部のヒートモジュール、中間部のヒー トモジュール、周縁部のヒートモジュールの温度を個別に制御する。
[0051] ステップ S040において、ワークの中心部または周縁部力も圧力を解除する。
[0052] ステップ S050において、冷却用配管によってトッププレートの温度を下げる。
[0053] ここで、ステップ S020およびステップ S030〖こおいて、ワークの中心部または周縁 部を加圧する方法について詳細に説明する。
[0054] 図 9 (A)は、圧力プロファイル制御モジュール 131の形状を概念的に示す図である 。簡単のため、下部の板は図示していない。中空部 133には、エア配管 135が接続 されており、図示しない電空レギユレータにより中空部 133の圧力が制御される。中 空部 133の圧力にしたがって、上部の板の中心部が変位する。図 9は、中空部 133 の厚さが増加するように、上部の板の中心部が変位した状態を示している。中空部の 厚さは、上述のように、一例として 2ミリメータである。中空部の厚さの変形量は、一例 として、増加および減少それぞれ、 20マイクロメータである。
[0055] 上部の板の、外面の周縁部において、上部の板の中心を中心とする同心円上に溝 1311を設けてもよい。一例として、溝の幅は 10ミリメータ、深さは 6ミリメータである。こ の溝 1311によって、上部の板の中心が変位した場合であっても、上部の板の周縁 部の集中荷重が避けられる。
[0056] 図 9 (B)は、外面および内面の周縁部において、上部の板の中心を中心とする同 心円上に溝 1311を設けた、上部の板の変形例を示す図である。
[0057] 図 9 (C)は、外面の周縁部において、上部の板の中心を中心とする同心円上に溝 1
311を設け、溝 1311より中止に近い領域の厚さを周縁部より薄くした、上部の板の 変形例を示す図である。
[0058] 図 10は、加圧状態におけるヒータユニット 101の形状を概念的に示す図である。圧 力プロファイル制御モジュール 131の中空部 133の圧力 P1による力を F1、加圧ュ- ット 141の圧力 P2による力を F2とする。圧力プロファイル制御モジュール 131の中空 部 133の圧力 P1および加圧ユニット 141の圧力 P2の、電空レギユレータの制御範囲 は、たとえば、 101乃至 350キロパスカルである。
[0059] 図 10 (A)に示すように、 F1が F2よりも大きければ、中空部 133を含む圧力プロファ ィル制御モジュール 131の形状は、凸型となり、トッププレート 111の表面の中心部 が凸となり、ワークの中心部が加圧される。
[0060] 図 10 (C)に示すように、 F2が F1よりも大きければ、中空部 133を含む圧力プロファ ィル制御モジュール 131の形状は、凹型となり、トッププレート 111の表面の中心部 が凹となり、ワークの周縁部が加圧される。
[0061] 図 10 (B)に示すように、 F1と F2とが等しければ、中空部 133を含む圧力プロフアイ ル制御モジュール 131の形状は、平坦となり、トッププレート 111の表面が平坦となり
、ワーク全体が加圧される。
[0062] つぎに、トッププレート 111の表面の形状を変化させる他の実施形態について説明 する。
[0063] 図 11は、トッププレート 111の表面の形状を変化させる、他の実施形態による圧力 プロファイル制御モジュール 13 laの構成を示す概念図である。圧力プロファイル制 御モジュールの中空部 133は、ベローズなどにより数箇所に区分されている。たとえ ば、図 11に示すように、中心部 133a、中間部 133bおよび周縁部 133cに区分しても よい。中心部 133a、中間部 133bおよび周縁部 133cには、それぞれ配管を設けて、 電空レギユレータにより個別に内部圧力 Pa、 Pbおよび Pcを制御できるように構成す る。たとえば、中心部 133aの圧力 Paを他の部分の圧力 Pbおよび Pcより高くすること によって、圧力プロファイル制御モジュール 131aの中心部が凸になるようにすること ができる。この結果、トッププレート 111の表面の中心部が凸になる。
[0064] 図 12は、トッププレート 111の表面の形状を変化させる、さらに他の実施形態による 圧力プロファイル制御モジュール 13 lbおよび 131cの構成を示す概念図である。
[0065] 図 12 (A)に示すように、圧力プロファイル制御モジュール 13 lbの中空部 133dの 内部に、区分された中空部 133eを設ける。中空部 133dおよび中空部 133eには、 それぞれ配管を設けて、電空レギユレータにより個別に内部圧力を制御できるように 構成する。たとえば、区分された中空部 133eの圧力 Peを中空部 133dの圧力 Pdより 高くすることによって、圧力プロファイル制御モジュール 131bの中心部が凸になるよ うにすることができる。この結果、トッププレート 111の表面の中心部が凸になる。
[0066] 図 12 (B)〖こ示すように、圧力プロファイル制御モジュール 131cの中空部 133fの内 部に、区分された中空部 133gを設け、さらに、中空部 133gの内部に、区分された中 空部 133hを設ける。中空部 133f、中空部 133gおよび中空部 133hには、それぞれ 配管を設けて、電空レギユレータにより個別に内部圧力を制御できるように構成する 。たとえば、区分された中空部 133hの圧力 Phを中空部 133gの圧力 Pgより高くし、 中空部 133gの圧力 Pgを中空部 133fの圧力 Pはり高くすることによって、圧力プロフ アイル制御モジュール 131cの中心部が凸になるようにすることができる。この結果、ト ッププレート 111の表面の中心部が凸になる。
[0067] 図 10乃至図 12に示した実施形態においては、圧力プロファイル制御モジュール 1 31の形状を変化させることにより、トッププレート 111の表面の形状を変化させて 、る 。圧力プロファイル制御モジュール 131の形状の変化をトッププレート 111の表面の 形状に伝えるには、トッププレート 111と圧力プロファイル制御モジュール 131との間 のヒータ部が複数のヒートモジュール 121に分割され、それぞれのヒートモジュール 1 21が個別のヒートモジュール支持部材 125を介して圧力プロファイル制御モジユー ル 131に支持されて 、る構成が好ま 、。
[0068] 図 13は、トッププレート 111の表面の形状を変化させる、別の実施形態を示す図で ある。トッププレート 111の外周に嵌合する加圧リング 115を設け、加圧リング 115を、 シリンダー 117によって下方向に引くことにより、トッププレート 111の周縁部の形状 を変化させる。
[0069] 本発明の一実施形態によれば、ウェハの接合面の平面度を上げるように、圧力プロ ファイル制御モジュールの表面の形状を変化させ、ヒートモジュールを介して、トップ プレートの表面の形状を変化させることができる。また、ウェハ厚のばらつきを、トップ プレートから、ヒートモジュールを介して、圧力プロファイル制御モジュールに伝え、 圧力プロファイル制御モジュールの圧力を制御することにより吸収することができる。
[0070] 本発明の一実施形態によれば、圧力プロファイル制御モジュールの中空部の圧力 および加圧圧力を適切に制御することにより、圧力プロファイル制御モジュールの形 状を変化させ、ヒートモジュールを介して、トッププレートの表面形状を変化させること ができる。また、ウェハ厚のばらつきを、トッププレートから、ヒートモジュールを介して 、圧力プロファイル制御モジュールに伝え、圧力プロファイル制御モジュールの中空 部の圧力を適切に制御することにより吸収することができる。

Claims

請求の範囲
[1] 上部ユニットと下部ユニットの間に、接合される複数のウェハを配置し、上部ユニット と下部ユニットによって加圧および加熱を行いながらウェハの接合を行うウェハ接合 装置において、
トッププレートと、
圧力プロファイル制御モジュールと、
トッププレートと圧力プロファイル制御モジュールとの間に配置された加熱用のヒー タ部と、を備え、
圧力プロファイル制御モジュールの表面に発生させた形状の変化がトッププレート の表面にもたらされることを特徴とするウェハ接合装置。
[2] 前記圧力プロファイル制御モジュールに中空部を設け、当該中空部内の圧力を制 御できるように構成し、ウェハ厚のばらつきを吸収して接合面の平面度を向上させる ようにしたことを特徴とする請求項 1に記載のウェハ接合装置。
[3] 前記ヒータ部は複数のヒートモジュール力もなることを特徴とする請求項 1または 2 に記載のウェハ接合装置。
[4] 前記複数のヒートモジュールを複数のグループに分割し、当該グループごとに温度 制御を行うように構成したことを特徴とする請求項 3に記載のウェハ接合装置。
[5] 前記複数のヒートモジュールと圧力プロファイル制御モジュールの間に、ヒートモジ ユールごとにヒートモジュール支持部材を設けたことを特徴とする請求項 3または 4に 記載のウェハ接合装置。
[6] 前記複数のヒートモジュールを、前記トッププレートの、ウェハに対向する面の反対 側の面に、リーマーボルトとスプリングを使用して取り付けたことを特徴とする請求項 3 から 5の 、ずれか〖こ記載のウェハ接合装置。
[7] 前記トッププレートの表面の形状を変化させることができるように、前記加圧ユニット により加圧する圧力と、前記中空部内の圧力とを個別に制御できるように構成したこ とを特徴とする請求項 1から 6のいずれかに記載のウェハ接合装置。
[8] 前記トッププレートの表面の形状を変化させることができるように、前記中空部を複 数のゾーンに分割し、ゾーンごとに内部圧力を制御できるように構成したことを特徴と する請求項 2に記載のウェハ接合装置。
[9] 前記トッププレートの表面の形状を変化させることができるように、前記中空部内に 、圧力室を設け、当該圧力室内の内部圧力と、当該圧力室外の前記中空部の内部 圧力とを個別に制御できるように構成したことを特徴とする請求項 2に記載のウェハ 接合装置。
[10] トッププレートの周縁部にリングを設け、当該リングにシリンダーを接続し、当該シリ ンダーを操作することにより、トッププレートの周縁部の形状を制御できるように構成し たことを特徴とする請求項 1から 9のいずれかに記載のウェハ接合装置。
[11] 前記ヒータ部に冷却用配管を備えたことを特徴とする請求項 1から 10のいずれかに 記載のウェハ接合装置。
[12] 請求項 1から 11のいずれかに記載のウェハ接合装置によってウェハを接合する方 法であって、上部ユニットのトッププレートと下部ユニットのトッププレートとの間に接 合するウェハを配置し、トッププレートを所定の温度まで加熱し、トッププレートによつ て接合するウェハに加圧し、接合するウェハを加圧および加熱した状態で所定の時 間保持する、ウェハを接合する方法。
[13] 接合するウェハを加圧および加熱した状態で所定の時間保持した後、トッププレー トによる、接合するウェハに対する圧力を解除し、トッププレートを冷却する請求項 12 に記載のウェハを接合する方法。
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