用于接合襯底的裝置和方法與流程

文檔序號：12820531閱讀：274來源：國知局

本發(fā)明涉及一種根據權利要求1所述的用于接合、尤其是臨時接合、尤其是預接合第一襯底與第二襯底的裝置，以及一種根據權利要求12所述的對應方法。

背景技術：

在半導體工業(yè)中，裝配裝置和/或樣本保持器(所謂的卡盤)被用作手工操作裝置，以便支撐和固定扁平的半導體襯底、尤其是晶片。晶片在此平坦放置，由此被支撐、固定，因此可以輸送到各種處理步驟和加工站。

在此，有時需要將晶片從一個裝配裝置傳送到另一個裝配裝置，使得不僅可靠且均勻的支撐/固定起著重大的作用，而且晶片的盡可能小心且簡單的剝離也起著重大的作用。

例如通過在晶片和裝配裝置之間施加真空、通過靜電充電或通過另外的可控制的化學物理粘附特性來實現所述固定，其中，由于越來越薄、有時甚至雙面拋光的晶片和必要時晶片在樣本保持器上已有的自身粘附，晶片的剝離在技術上變得越來越困難。在其上實現所述固定的面也可以設有圖案、褶痕或其他任意的表面形狀，其進一步減小了接觸面，以便獲得盡可能小的裝配面。

避免污染也是一個重要的方面。

這在用于接合兩個襯底(晶片)的方法和裝置中、尤其是在兩個相對置的襯底的對準的接觸面進行接觸的關鍵步驟中起著重要作用，這是因為需求是向著越來越精確的校準精度或者小于2μm、尤其小于250nm、優(yōu)選小于150nm、最優(yōu)選小于50nm的偏移。在此類對準精度的情況下，必須考慮許多影響因素。但特別關鍵的是襯底的沉積/接觸，因為在此可能會出現誤差，其中，誤差可能相加，因此不能遵守可重現的校準精度。這導致大量的廢品。

技術實現要素：

因此，本發(fā)明的任務是，提供用于接合兩個襯底、主要用于預接合或臨時接合的裝置和方法，借助所述方法，能夠在晶片的所有位置上實現盡可能好的校準精度，其中，也盡可能避免襯底的污染。

在進一步的過程中，“接合”、“臨時接合”和“預接合”這些詞應同義地使用。本領域技術人員清楚，本發(fā)明是優(yōu)選而不是限制性地開發(fā)用于通過預接合、將兩個晶片盡可能全面積地無扭曲且無應變地彼此連接。

對于用于在襯底之間產生暫時或可逆的接合的預接合，已經存在多種對于本領域技術人員來說已知的方法。在此，預接合強度低于永久接合強度，至多是其3分之一至2分之一、尤其是其5分之一、優(yōu)選其15分之一、更優(yōu)選其25分之一。提及以約100mj/m²的未活化的純的親水性硅和以200-300mj/m²的等離子活化的純的親水性的硅的預接合強度作為基準。在以分子浸潤的襯底之間的預接合主要通過不同的晶片側的分子之間的范德華(van-der-waals)相互作用來實現。

根據本發(fā)明，為了接合，設置接合裝置用于接合和/或預接合和/或臨時接合。

所述任務利用權利要求1和12所述的特征來解決。本發(fā)明的有利的改進方案在從屬權利要求中說明。至少兩個在說明書、在權利要求書和/或附圖中說明的特征的所有組合也落在本發(fā)明的范圍內。在所說明的值域中，位于所提到邊界內的值也應被認為作為邊界值公開并且可以以任意的組合要求保護。

本發(fā)明所基于的思想是，使兩個襯底盡可能協(xié)調以及同時準自動地接觸，其方式是，在接觸之前給襯底中的至少一個加載預拉伸、尤其是相對于所述襯底的接觸面的中心m同心地徑向向外部延伸的預拉伸并且然后僅僅影響所述接觸的開始，而在接觸所述襯底的區(qū)段、尤其是中心m之后釋放襯底，并且自動地基于其預拉伸受控地與相對置的襯底接合。通過借助變形裝置使所述第一襯底變形來實現所述預拉伸，其中，變形裝置尤其基于其形狀而作用于背離接合側的側，并且所述變形能夠通過使用不同的(尤其是可更換的)變形裝置而得到相應控制。所述控制也通過壓力或變形裝置用來作用于襯底的力來實現。在此有利的是，減小裝配裝置與半導體襯底的有效裝配面，使得半導體襯底是僅部分地由裝配裝置支撐。通過這種方式，通過更小的接觸面來產生晶片與樣本保持器或者裝配裝置之間更小的粘附性。根據本發(fā)明，在半導體襯底(第一襯底)的圓周區(qū)域中、尤其是僅僅在半導體襯底(第一襯底)的圓周區(qū)域中施加固定，使得在同時在裝配裝置的裝配輪廓與半導體襯底之間的有效裝配面盡可能小的情況下提供有效固定。因此，同時能夠實現半導體襯底的小心且安全的剝離，這是因為剝離晶片所需的分離力盡可能的小。

裝配輪廓是裝配裝置的如下區(qū)域：半導體襯底置于所述區(qū)域上，從而在半導體襯底為圓形的情況下，外圓周相應地是圓形的、具有相似的尺寸。普遍的外部尺寸是直徑為200mm、300mm或450nm。

同時，在裝配輪廓的區(qū)域中能夠裝配晶片的在有效裝配面之外突出的結構，從而使裝配裝置同時構造為cmos兼容的。

所述剝離主要是可控的，尤其是通過減小裝配面上的負壓來可控的。“可控”意味著，在所述晶片與第二晶片接觸之后所述晶片還保持固定在樣本保持器上，并且僅僅通過有針對性地(受控制地)減小負壓來引起所述襯底(晶片)從樣品保持器(裝配裝置)、尤其是從內部到外部的分開。根據本發(fā)明的實施方式主要導致：能夠通過很小的力來完成所述剝離。

襯底(晶片)在接合過程之前彼此對準，以便確保其表面上對應結構的疊合(精確對準，尤其是具有小于2μm、優(yōu)選小于250nm、更優(yōu)選小于150nm、最優(yōu)選小于l00nm的精度的精確對準)。在根據本發(fā)明的接合方法中，晶片不是平坦地彼此上下疊置地放置，而是首先在中心m中彼此接觸，其方式是，將兩個晶片中的一個晶片輕輕地靠著第二晶片按壓或者相應地朝相對置的晶片的方向變形。在已(在朝相對置的晶片的方向上)變形、彎曲的晶片分開之后，通過接合波的繼續(xù)前進來實現沿著接合前部的連續(xù)和均勻的、與最小的力且因此與最小的、主要是水平的扭曲相關聯(lián)的、尤其是至少主要為自動的焊接。

根據本發(fā)明一種有利的實施方式規(guī)定，裝配輪廓和/或裝配面和/或裝配裝置構造為旋轉對稱的、尤其是相對于裝配裝置的中央z同心的。由此實現裝配裝置的均勻的保持和簡單的制造。只要裝配裝置至少在裝配面上構造為剛性的，就能夠實現晶片的安全且精確對準的固定。

通過使中斷裝配面的至少一個負壓通道設置在裝配輪廓的外環(huán)區(qū)段中以及使裝配輪廓在內環(huán)區(qū)段中至少主要相對于裝配面后移的方式，提供對于本發(fā)明的實施有利的幾何布置，利用所述幾何布置一方面能夠完美地執(zhí)行變形，并且另一方面可以通過上述方式受控地并且利用小的耗費來實施該接觸。

有利地，負壓通道相對于裝配裝置的中央z同心地、尤其是圓環(huán)形地、尤其是繞整個圓周延伸。由此確保均勻的固定。

在本發(fā)明的另一種有利的實施方式中規(guī)定，外環(huán)區(qū)段、尤其是圓環(huán)形的外環(huán)區(qū)段的環(huán)寬度ba比內環(huán)區(qū)段的環(huán)寬度bi要小。環(huán)寬度ba與bi的比例尤其是小于1比3，優(yōu)選小于1比5，還更優(yōu)選地小于1比7。環(huán)寬度ba相對于環(huán)寬度bi越小，半導體襯底就能夠更容易地從裝配裝置剝離。

在此，特別有利的是，裝配輪廓的投影面是有效裝配面的至少兩倍、尤其是至少三倍。

根據本發(fā)明的另一種有利的實施方式規(guī)定，裝配輪廓在內環(huán)區(qū)段中具有至少一個支承面、尤其是相對于中央z圓環(huán)形地、優(yōu)選同心地布置的支承面用于支承半導體襯底、尤其是在無有效固定的情況下用于支承半導體襯底，其中，支承面屬于裝配面并且與所述裝配面對齊。通過所述措施來實現在手工操作時裝配裝置的進一步平坦化，使得半導體襯底沒有朝裝配裝置彎曲或一般而言不成拱形。

在根據本發(fā)明的另一種實施方式中規(guī)定，變形裝置構造為引起在裝配面的側上、尤其是在裝配面之外、優(yōu)選僅僅在裝配面外部作用于半導體襯底。令人驚奇地示出，通過在裝配面的側上(通常是半導體襯底的背側)作用于半導體襯底，能夠實現特別小心的剝離。此外，半導體襯底的其它面(通常更重要，因為這些面例如被處理過)的污染得以避免。

只要至少一個貫穿裝配輪廓的壓力元件設置為變形裝置，壓力就可以均勻地、尤其從中央z出來均勻地被施加。在此，能夠實現機械的解決方案，尤其是能夠通過銷釘、但也能夠以流體、尤其是氣體加載來實現機械的解決方案。為此，尤其設置貫穿裝配體的開口、尤其是鉆孔。

當變形裝置如此構造，使得變形相對于第一襯底同心地進行時，基于盡可能小的扭曲特別有效地并且以高校準精度地實現接合。

根據另一種有利的實施方式規(guī)定，在內環(huán)區(qū)段中設置固定元件、尤其是可單獨觸發(fā)的固定元件，以便沿著第一襯底固定對應固定區(qū)段。由此，能夠附加地影響第一襯底和/或第二襯底在x方向、y方向和/或z方向上的扭曲和/或應變。(主要沿著襯底的接觸面、即在這些面中延伸的)扭曲和/或應變尤其在先前的方法步驟中優(yōu)選以一個襯底/多個襯底的壓力圖和/或應變圖被記錄并且通過固定元件的線路在接觸襯底時產生逐段附加的變形，所述變形如此構造，使得尤其是局部的扭曲/應變被均衡。因為通過這種扭曲/應變，對準精度、尤其是在低于250nm的對準精度的情況下越來越強地受影響。因此，基本上可以區(qū)分水平扭曲和豎直扭曲。豎直扭曲通過豎直方向上、即在z方向上的抽空過程產生。但所述扭曲必要時也引起水平扭曲，即x扭曲和y扭曲，所述水平扭曲在待實現的對準精度方面是真正的問題。

根據方法，這通過如下方式得以解決：使第一襯底和/或第二襯底的尤其通過上游的測量方法求取的扭曲和/或應變通過對第一襯底和/或第二襯底的影響、尤其是通過對第一襯底和/或第二襯底的區(qū)段的受控的扭曲和/或應變而減小，尤其是借助用于固定對應的固定區(qū)段的固定元件來減小。扭曲和/或應變的求取可以通過外部的測量設備來實現。然后，外部的測量設備相應地利用根據本發(fā)明的實施方式通過數據連接來連接。優(yōu)選地，用于求取扭曲圖和/或應變圖的測量設備位于與根據本發(fā)明的實施方式相同的模塊中。此外，應公開以下可能性：將相同的接口用于觸發(fā)用于求取扭曲圖和/或應變圖的設備以及根據本發(fā)明的實施方式。

“接口”理解為任何類型的控制監(jiān)視設備。優(yōu)選地。在此涉及具有相應控制軟件和相應圖形用戶界面的計算機。

根據裝置公開的特征也應被認為根據方法來公開，反之亦然。

附圖說明

本發(fā)明的其他的優(yōu)點、特征和細節(jié)由下面對優(yōu)選實施例的描述以及按照附圖得出。附圖示出：

圖1a：根據本發(fā)明的裝置的第一實施方式的裝配輪廓的俯視圖連同剖面線a-a，

圖1b：根據圖1a的剖面線a-a的視圖，

圖2a：根據本發(fā)明的裝置的第二實施方式的裝配輪廓的俯視圖連同剖面線a-a，

圖2b：根據圖2a的剖面線b-b的視圖，

圖3a：根據本發(fā)明的裝置的第三實施方式的裝配輪廓的俯視圖連同剖面線c-c，

圖3b：根據圖3a的剖面線c-c的視圖，

圖4a：根據本發(fā)明的裝置的第四實施方式的裝配輪廓的俯視圖連同剖面線d-d，

圖4b：根據圖4a的剖面線d-d的視圖，

圖5a：根據圖1a的第一實施方式的、剝離前不久的橫截面圖，

圖5b：根據圖5a的、在剝離半導體襯底時的橫截面圖，

圖6：用于剝離半導體襯底的不同形狀的銷釘的示意圖，

圖7a：根據本發(fā)明的裝置的第五實施方式的示意性俯視圖，

圖7b：根據圖7a的實施方式的橫截面圖，

圖8a：兩個待焊接在一起的晶片在通過銷釘進行接觸之前的橫截面圖，

圖8b：兩個待焊接在一起的晶片在通過銷釘來接觸上面的晶片期間的橫截面圖，

圖8c：兩個待焊接在一起的晶片在通過銷釘來對上面的晶片進行彈性彎曲期間的橫截面圖，

圖8d：兩個待焊接在一起的晶片在上面的晶片與下面的晶片之間進行第一次接觸期間的橫截面圖，

圖8e：兩個待焊接在一起的晶片在上面的晶片與下面的晶片之間的連續(xù)接合波期間的橫截面圖，

圖8f：兩個待焊接在一起的晶片的橫截面圖，其中，已經將上面的晶片從樣本保持器剝離，

圖8g：兩個待焊接在一起的晶片在接合狀態(tài)下的橫截面圖。

在附圖中，相同的部件和具有相同功能的部件利用相同的參考標記來表示。

具體實施方式

圖1a示出一種裝置的裝配裝置1(在半導體工業(yè)中也稱作chuck：卡盤)，其用于將第一半導體襯底15(晶片)裝配在裝配裝置1的裝配輪廓8上。裝配輪廓8具有如下結構，所述結構在裝配平面e中具有裝配面7。僅僅裝配面7與半導體襯底15(在裝配裝置1上裝配半導體襯底15時)接觸(有效裝配面)。

所述裝配裝置1由裝配體1k、尤其是單片的和/或金屬的和/或剛性的裝配體1k構成，這在根據圖1b的橫截面視圖中能特別容易地看出。能夠實現裝配體的涂層，以避免劃傷或金屬離子聚集。就尺寸來說，至少裝配裝置1的裝配輪廓8匹配待裝配的半導體襯底15的尺寸，從而使裝配輪廓8的外環(huán)半徑ra基本上相應于待裝配的半導體襯底15的半徑。半導體襯底的直徑優(yōu)選相應于在工業(yè)中普遍的、2"、4"、6"、8"、12"或18"的標準化直徑等等，但也可以與它們有偏差(如果這是必要的)。裝配輪廓8和裝配裝置1的形狀在俯視圖中是圓環(huán)形的，相應于半導體襯底15的普遍的形狀。為了更容易的手工操作，裝配體1k的半徑rk可以比裝配輪廓8的外環(huán)半徑ra要大。在裝配體1k的圓周處直至裝配輪廓8可以設置有相對于裝配平面e后移的凸肩9，以便使得裝配裝置1的手工操作變得容易(尤其是在裝載半導體襯底15時)。裝配體1k的圓周和裝配輪廓8的圓周相對于裝配裝置1的中央z或者裝配輪廓8的中央z是同心的。

裝配輪廓8的外環(huán)區(qū)段10從裝配輪廓8的圓周(即從外環(huán)半徑ra)延伸直至內環(huán)半徑ri。外環(huán)區(qū)段10設置用于借助負壓來固定平面的半導體襯底15。該負壓通過未示出的真空裝置施加在兩個彼此同心地延伸的負壓通道3上。負壓通道3在外環(huán)半徑ra與內環(huán)半徑ri之間、即完全在環(huán)區(qū)段10中延伸。負壓通道3中斷有效的裝配面7，并且通過負壓通道3處的負壓使半導體襯底15固定在裝配面7處、外環(huán)區(qū)段10的區(qū)域中(固定第一襯底15)。負壓優(yōu)選可以(通過用于控制所述裝置的相應控制裝置)受控制地調整，并且因此高效起作用的固定力優(yōu)選可以(通過相應的用于控制所述設備的控制裝置)受控制地調整。此外，樣本保持器(裝配裝置1)優(yōu)選能夠如此制造，使得可封閉的密封裝置密封樣品保持器，并且保持負壓而不從外部連續(xù)抽吸。由此，能夠從每個機器移除樣本保持器，其中，所述第一襯底15的固定至少保持在特定的時間段上。

在根據圖1a和1b的本實施例中，裝配面7相應于裝配平面e中外環(huán)區(qū)段10的表面。在外環(huán)區(qū)段10內(因此在內環(huán)區(qū)段11中)裝配輪廓8相對于裝配面7后移，并且形成圓環(huán)形的凹部2，所述凹部的半徑相應于內環(huán)半徑ri。因此，凹部2與裝配輪廓8的圓周同心或者與外環(huán)區(qū)段10同心。凹部2的底部2b以一間距與裝配平面e平行地延伸，所述間距相應于凹部2的高度h。在有利的實施中，凹部2的高度h能夠相應于所述負壓通道3的深度(更簡單的制造)。

為了在裝配半導體襯底15時在凹部2中不形成負壓，設置貫穿裝配體lk的開口4。開口4可以設置為鉆孔，尤其是相對于裝配輪廓8的中央z或者相對于裝配輪廓8的外周同心的鉆孔。

在根據圖2a和2b的第二實施方式中，存在不僅僅由外環(huán)區(qū)段10組成的裝配面7'。而是，裝配輪廓8(或者裝配體1k)具有圓環(huán)形的、相對于中央z同心地布置的支承面12，所述支承面由直接設置在開口4處的凸出部分5形成。

在根據圖3a和圖3b的第三實施方式中，開口4'不再構造為圓形且相對于中央z同心的，而是構造為槽狀的，其中，開口4'從中央z延伸到內環(huán)半徑ri。一般而言，開口4'可以采取能夠實現所描述功能的任意形狀。開口4'相對于其余部件不是相對于中央z旋轉對稱的。因此，與根據圖2a和圖2b的實施方式相比，也得出較大的支承面12'。

在根據圖4a和4b的第四實施方式中，除凸出部分5以外，還設置有兩個另外的凸出部分13、14，所述兩個另外的凸出部分相對于第一凸出部分5同心地、尤其是彼此等距地分散布置在內環(huán)區(qū)段11中。因此，第四實施例中支承面12''再次比第二和第三實施例中更大，從而得出在該面中更均勻地分布的支承面12''。

在所有實施例中，都可以引導尤其是與開口4、4'的內輪廓對應的銷釘6(見圖5a和5b)穿過開口4、4'，以便通過以裝配面7，7'，7''，7'''在內面15i上作用于半導體襯底15來將半導體襯底15與所述裝配面剝離。所述銷釘6優(yōu)選無接觸地引導至開口4、4'(的內輪廓)。可以優(yōu)選通過所述裝置的控制單元來對真空通道(vakuumbahn)3連續(xù)抽空和注滿(geflutet)。

根據本發(fā)明，替代銷釘6可考慮以流體、尤其是氣體給凹部2加載壓力，這引起凹部2內加載面上均勻的/均質的壓力分布。

第一襯底15的變形(彎曲)優(yōu)選受控地被控制，并且優(yōu)選在晶片15完全從樣本保持器剝離之前可逆(圖8a-g)。通過將第一襯底15固定在外環(huán)區(qū)段12中，變形的幅度受到限制，并且根據本發(fā)明僅僅進行輕微的變形、尤其是幅度小于高度h的變形。

根據本發(fā)明，在圖5b所示的第一襯底15的變形用于接觸第二襯底，所述第二襯底相對置地布置并且在接觸第一襯底15之前與該襯底對準。所述接觸分別通過第一襯底15在這些襯底的中心m中的同心變形來實現。

在作用于內面15i期間和在接觸襯底之后，減小、尤其是受調節(jié)地減小負壓通道3處的負壓。通過借助第一襯底15的變形引入的預拉伸和/或作用的重力，第一襯底15從第一襯底15的中心m出發(fā)徑向向外直至第一襯底15的圓周、與第二襯底接觸并且至少臨時接合，其中，接合波準同心地從第一襯底15的中心m前行直至其圓周。

銷釘6、6'、6"、6"'的根據本發(fā)明的形狀示例在圖6中示出。根據本發(fā)明，銷釘6、6'、6"、6"'不僅能夠與開口4、4'的形狀匹配或者匹配到開口4、4'的輪廓中，而且例如在橫截面中構造為t形(銷釘6')，以便以更大的面作用于半導體襯底15并且因此能夠更小心地處理。因此，在凹部2中越過開口4的內輪廓延伸的壓板可以設置為銷釘6'的頭。此外，根據一種有利的實施，銷釘6、6'、6"、6"'是裝有彈簧的。

根據本發(fā)明，外環(huán)區(qū)段10的環(huán)寬度ba比內環(huán)半徑ri要小，尤其是比內環(huán)區(qū)段11的環(huán)寬度bi要小(見圖1a、1b)。

可以與先前的實施方式組合的另一種實施方式在圖7a、7b中示出。在凹部2的區(qū)域中設置固定元件16，尤其是蜂窩形狀的固定元件16，利用所述固定元件可以將第一襯底15的對應固定區(qū)段局部地固定在裝配裝置處，更確切地說，與第一襯底15變形時作用于內面15i的作用方向相反。對固定元件16的觸發(fā)通過控制裝置來進行。因此可以有針對性地朝第二襯底的方向影響第一襯底15的變形。因此，根據待接合的第一襯底15的應變圖/壓力圖，根據本發(fā)明能夠實現第一襯底15的壓力/應變的有針對性的減小，從而沒有通過這些襯底或至少第一襯底15的現有壓力/應變而減小這些襯底彼此的(或者這些襯底上可能的結構/元件的)給定的對準精度。通過有針對性地觸發(fā)各個固定元件16，能夠實現第一襯底15的對應固定區(qū)段的變形(剪切、壓縮、拉伸、旋轉)。這在待實現的對準精度小于250nm、尤其小于150nm、優(yōu)選小于100nm的情況下越來越重要，這是因為這些襯底的扭曲/應變可能導致高達100nm的局部對準誤差。

固定元件16尤其可以靜電地充電或構造為壓電元件。

在所述實施方式中，產生更大的有效裝配面7^iv以及相對于先前描述的實施方式更大的裝配輪廓8^iv，從而提供對第一襯底15的更好支撐。

參考標記列表

1裝配裝置

lk裝配體

2凹部

2b底部

3負壓通道

4、4'開口

5、5'凸出部分

6銷釘

7、7'、7"、7"'、7^iv裝配面