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Hintergrund der Erfindung
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Verwandte Anmeldungen
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Die
vorliegende Erfindung beansprucht die Priorität der provisorischen
US-Anmeldung Nr. 61/023,379, eingereicht am 24. Januar 2008, mit
dem Titel „Method for reversibly mounting a device wafer to
a carrier substrate”, hierin durch Bezugnahme eingefügt.
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung befasst sich allgemein mit neuen Gegenständen
beim temporären Bonden von Wafern, die einen Vorrichtungswafer während
einer Waferverdünnung und anderer Rückseitenbearbeitung
auf einem Trägersubstrat tragen können.
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Beschreibung des Standes der
Technik
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Integrierte
Schaltungen, Leistungshalbleiter, lichtemittierende Dioden, photonische
Schaltungen, mikroelektromechanische Systeme (MEMS), eingebettete
passive Arrays, Packaging Interposers und ein Host von weiteren
Silizium- und Verbindungshalbleiter-basierten Mikrovorrichtungen
werden kollektiv in Arrays auf Wafersubstraten hergestellt, deren
Durchmesser von 1 bis 12 Zoll reicht. Die Vorrichtungen werden anschließend
in einzelne Vorrichtungen oder Rohchips (engl.: „dies”)
getrennt, die so gepackt werden, dass sie eine praktische Kopplung
mit der makroskopischen Umgebung erlauben, zum Beispiel durch Kopplung
mit einer Leiterplatte. Es erfreut sich zunehmender Beliebtheit,
die Vorrichtungspackung auf dem oder um den Rohchip herum zu konstruieren,
während es nach wie vor Teil des Wafer Arrays ist. Diese
Praxis, die als Wafer Level Packaging bezeichnet wird, verringert
die Gesamtpackungskosten und ermöglicht das Erreichen einer
höheren Kopplungsdichte zwischen der Vorrichtung und seiner
mikroelektronischen Umgebung als mit traditionelleren Packungen,
die gewöhnlich Außenabmessungen besitzen, die
mehrmals größer sind als die gegenwärtige
Vorrichtung.
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Bis
vor kurzem haben sich Kopplungsschemata im Allgemeinen auf zwei
Dimensionen beschränkt, was bedeutet, dass sämtliche
der elektrischen Verbindungen zwischen der Vorrichtung und der entsprechenden
Platten- oder Packungsoberfläche, an der sie angebracht
ist, in einer horizontalen, oder x-y-, Ebene platziert wurden. Die
Mikroelektronikindustrie hat nun erkannt, dass bedeutende Zunahmen
der Vorrichtungskopplungsdichte und entsprechende Verringerungen
der Signalverzögerung (als Ergebnis der Verkürzung
der Entfernung zwischen elektrischen Verbindungsstellen) erreicht
werden können, indem Vorrichtungen vertikal, das heißt
in der z-Richtung, gestapelt und gekoppelt werden. Zwei übliche
Erfordernisse für das Stapeln von Vorrichtungen sind: (1)
Verdünnen der Vorrichtung in der Richtung durch den Wafer
von der Rückseite, und (2) anschließendes Bilden
von elektrischen Verbindungen durch den Wafer, die üblicherweise
als Silizium-Durchkontaktierungen (engl. „through-silicon-vias” oder „TSVs”)
bezeichnet werden, und die auf der Rückseite der Vorrichtung
enden. In diesem Fall ist das Verdünnen von Halbleitervorrichtungen nunmehr
gängige Praxis geworden, sogar wenn Vorrichtungen nicht
in einer gestapelten Konfiguration gepackt werden, weil es die Wärmeverteilung
fördert und einen viel geringeren Formfaktor ermöglicht,
der mit kompakten elektronischen Produkten wie zum Beispiel Mobiltelefonen
erreichbar ist.
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Es
gibt ein wachsendes Interesse am Verdünnen von Halbleitervorrichtungen
auf weniger als 100 Mikrometer, um deren Profile zu verringern,
insbesondere wenn sie oder die entsprechenden Packungen, in denen
sie sich befinden, gestapelt sind, und um die Bildung von elektrischen
Rückseitenverbindungen auf den Vorrichtungen zu erleichtern.
Siliziumwafer, die bei der Herstellung von integrierten Schaltungen
hohen Volumens verwendet werden, weisen typischerweise Durchmesser
von 200 oder 300 mm und eine Dicke durch den Wafer von etwa 750
Mikrometern auf. Ohne Verdünnung wäre es nahezu
unmöglich, elektrische Rückseitenkontakte zu bilden,
die sich mit einer Vorderseitenschaltung verbinden, indem die Verbindungen
durch den Wafer geführt werden. Hocheffiziente Verdünnungsverfahren für
Silizium mit Halbleiterqualität und Verbindungshalbleiter,
die auf mechanischem Schleifen (Rückseitenschleifen) und
Polieren sowie chemischem Ätzen basieren, werden nunmehr
gewerblich eingesetzt. Diese Verfahren ermöglichen eine
Verringerung der Dicke der Vorrichtungswafer auf weniger als 100
Mikrometer in wenigen Minuten, während eine genaue Kontrolle über
die Gleichmäßigkeit der Waferquerdicke beibehalten
wird.
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Vorrichtungswafer,
die auf weniger als 100 Mikrometer verdünnt worden sind,
und insbesondere solche, die auf weniger als 60 Mikrometer verdünnt worden
sind, sind extrem zerbrechlich und müssen über
ihre vollen Abmessungen getragen werden, um Rissbildung und Zerbrechen
zu verhindern. Zum Transportieren von ultradünnen Vorrichtungswafern sind
zahlreiche Wafer-Stäbe und -futter (engl. „wafer wands
and chucks”) entwickelt worden, aber es existiert nach
wie vor das Problem, wie die Wafer während Rückschleif-
und TSV-Bildungsverfahren, die Stufen wie chemisch-mechanisches
Polieren (CMP), Lithographie, Ätzen, Abscheidung, Glühen
und Reinigen einschließen, getragen werden sollen, weil
diese Stufen den Vorrichtungswafer hoher thermischer und mechanischer
Beanspruchung aussetzen, wenn oder nachdem er verdünnt
wird oder worden ist. Ein zunehmend beliebter Ansatz zur Handhabung
von ultradünnen Wafern umfasst das Anbringen des Vorrichtungswafers
mit noch voller Dicke abwärtsgerichtet an einem starren
Träger mit einem polymeren Haftmittel. Er wird anschließend
verdünnt und von der Rückseite her bearbeitet.
Der vollständig bearbeitete, ultradünne Wafer
wird anschließend, nachdem die Rückseitenbearbeitung
beendet wurde, durch thermische, thermomechanische oder chemische
Verfahren von dem Träger entfernt oder debondet.
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Gängige
Trägermaterialien schließen Silizium (z. B. einen
rohen Vorrichtungswafer), Natronkalkglas, Borosilikatglas, Saphir
und verschiedene Metalle und Keramiken ein. Die Träger
können quadratisch oder rechteckig sein, sind üblicherweise aber
rund und sind der Größe nach so an den Vorrichtungswafer
angepasst, dass die gebondete Anordnung in herkömmlichen
Bearbeitungsgeräten und -kassetten gehandhabt werden kann.
Manchmal sind die Träger perforiert, um den Debondingprozess
zu beschleunigen, wenn ein flüssiges chemisches Mittel als
Trennmittel verwendet wird, um das polymere Haftmittel aufzulösen
oder zu zersetzen.
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Die
polymeren Haftmittel, die zum temporären Wafer Bonding
verwendet werden, werden typischerweise durch Rotationsbeschichtung
oder Sprühbeschichtung aus einer Lösung oder durch
Laminieren als Trockenfolienbänder aufgetragen. Rotations-
und sprühaufgetragene Haftmittel werden zunehmend bevorzugt,
weil sie Beschichtungen mit höherer Dickengleichmäßigkeit
bilden als Bänder bereitstellen können. Eine höhere
Dickengleichmäßigkeit mündet in einer
größeren Kontrolle über die Dickengleichmäßigkeit
in Querrichtung des Wafers nach dem Verdünnen. Die polymeren
Haftmittel weisen eine hohe Bondfestigkeit gegenüber dem
Vorrichtungswafer und dem Träger auf.
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Das
polymere Haftmittel kann auf den Vorrichtungswafer, den Träger
oder beide rotationsaufgetragen werden, abhängig von der
Dicke und der Beschichtungsplanität (Ebenheit), die erforderlich
ist. Der beschichtete Wafer wird gebacken, um sämtliches
Beschichtungslösungsmittel aus der polymeren Haftmittelschicht
zu entfernen. Der beschichtete Wafer und Träger werden
anschließend in einer beheizten mechanischen Presse zum
Bonden in Kontakt gebracht. Ausreichende(r) Temperatur und Druck werden
angelegt, um zu bewirken, dass das Haftmittel in die strukturellen
Merkmale des Vorrichtungswafers fließt und diese füllt,
und um einen innigen Kontakt mit sämtlichen Bereichen der
Vorrichtungswafer und Trägeroberflächen zu erreichen.
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Das
Debonden des Vorrichtungswafers von dem Träger, das sich
an die Rückseitenbearbeitung anschließt, wird
typischerweise auf einem von vier Wegen durchgeführt:
- (1) Chemisch – Der gebondete Waferstapel
wird in ein Lösungsmittel oder chemisches Mittel eingetaucht
oder mit einem Lösungsmittel oder chemischen Mittel besprüht,
um das polymere Haftmittel aufzulösen oder zu zersetzen.
- (2) Photozersetzung – Der gebondete Waferstapel wird
mit einer Lichtquelle durch einen transparenten Träger
bestrahlt, um die Haftmittelgrenzschicht, die an den Träger
anschließt, photozuzersetzen. Der Träger kann
anschließend von dem Stapel getrennt werden, und der Rest
des polymeren Haftmittels wird von dem Vorrichtungswafer debondet,
während er auf einem Futter gehalten wird.
- (3) Thermomechanisch – Der gebondete Waferstapel wird über
die Erweichungstemperatur des polymeren Haftmittels hinaus erhitzt,
und der Vorrichtungswafer wird anschließend von dem Träger weggeschoben
oder -gezogen, während er mit einem Halterfutter (engl.: „holding
chuck”) gestützt wird, das den gesamten Wafer
hält.
- (4) Thermische Zersetzung – Der gebondete Waferstapel
wird über die Zersetzungstemperatur des polymeren Haftmittels
hinaus erhitzt, was dazu führt, dass es verdampft und die
Haftung gegenüber dem Vorrichtungswafer und dem Träger verliert.
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Jedes
dieser Debondingverfahren weist Nachteile auf, die dessen Verwendung
in einer Produktionsumgebung ernsthaft einschränken. Zum
Beispiel ist das chemische Debonden durch Auflösen des
polymeren Haftmittels ein langsamer Prozess, weil das Lösungsmittel über
eine große Entfernung durch das viskose Polymermedium diffundieren muss,
um eine Abtrennung zu bewirken. Das heißt, dass das Lösungsmittel
von dem Rand des gebondeten Substrats, oder von einer Perforation
in dem Träger, in den lokalen Bereich des Haftmittels diffundieren
muss. In jedem Fall beträgt die minimale Entfernung, die
für Lösungsmitteldiffusion und -penetration erforderlich
ist, mindestens 3 bis 5 mm und kann viel größer
sein, sogar wenn Perforationen vorhanden sind, um den Lösungsmittelkontakt
mit der Haftmittelschicht zu erhöhen. Behandlungszeiten
von mehreren Stunden, sogar bei erhöhten Temperaturen (> 60°C) sind üblicherweise
erforderlich, damit das Debonding auftritt, was bedeutet, dass der
Waferdurchsatz gering sein wird.
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Die
Photozersetzung ist ebenfalls ein langsamer Prozess, weil das gesamte
gebondete Substrat nicht zur gleichen Zeit belichtet werden kann. Stattdessen
muss die belichtende Lichtquelle, die üblicherweise ein
Laser mit einem Strahlquerschnitt von nur wenigen Millimetern ist,
zu einem bestimmten Zeitpunkt auf eine kleine Fläche fokussiert
werden, um ausreichend Energie freizusetzen, damit die Zersetzung
der Haftmittelschicht auftritt. Der Strahl wird anschließend
in einer laufenden Weise quer über das Substrat gescannt
(oder gerastert), um die gesamte Oberfläche zu debonden,
was zu langen Debondingzeiten führt.
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Während
das thermomechanische (TM) Debonden typischerweise in wenigen Minuten
durchgeführt werden kann, weist es andere Einschränkungen auf,
die die Vorrichtungsausbeute verringern. Rückseitenverfahren
für temporär gebondete Vorrichtungswafer umfassen
häufig Arbeitstemperaturen von mehr als 200°C
oder sogar 300°C. Die polymeren Haftmittel, die für
das TM-Debonding verwendet werden, dürfen bei oder nahe
der Arbeitstemperatur weder zerfallen, noch umfangreich erweichen,
da sonst das Debonding frühzeitig auftreten würde.
Als Ergebnis werden die Haftmittel normalerweise so ausgestaltet,
dass sie bei 20 bis 50°C oberhalb der Arbeitstemperatur
ausreichend erweichen, damit das Debonding auftritt. Als Ergebnis
der thermischen Ausdehnung setzt die hohe Temperatur, die für
das Debonding erforderlich ist, das gebondete Paar einer bedeutenden
Beanspruchung aus. Zur gleichen Zeit verursacht die hohe mechanische
Kraft, die erforderlich ist, um den Vorrichtungswafer von dem Träger durch
eine Gleit-, Hebe- oder Drehbewegung wegzubewegen, zusätzliche
Beanspruchung, die dazu führen kann, dass der Vorrichtungswafer
zerbricht oder innerhalb der mikroskopischen Schaltung einzelner Vorrichtungen
Schaden anrichtet, was zu Vorrichtungsfehlern und Ausbeuteverlusten
führt.
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Das
Debonden durch thermische Zersetzung (TD) ist ebenfalls anfällig
für das Zerbrechen der Wafer. Wenn das polymere Haftmittel
zersetzt wird, werden Gase erzeugt, und diese Gase können
zwischen dem Vorrichtungswafer und dem Träger gefangen gehalten
werden, bevor der Großteil des Haftmittels entfernt worden
ist. Die Ansammlung gefangener Gase kann dazu führen, dass
der dünne Vorrichtungswafer Blasen bekommt und rissig wird
oder sogar zerspringt. Ein weiteres Problem beim TD-Debonden ist,
dass eine Polymerzersetzung oft mit der Bildung von hartnäckigen
Verkohlungsrückständen einhergeht, die von dem
Vorrichtungswafer durch gewöhnliche Reinigungstechniken
nicht entfernt werden können.
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Die
Einschränkungen dieser Debondingverfahren für
polymere Haftmittel des Standes der Technik haben zu einem Bedarf
an neuen Gegenständen bei der trägergestützten
Handhabung von dünnen Wafern geführt, die einen
hohen Waferdurchsatz liefern und die Wahrscheinlichkeit für
einen Vorrichtungswaferbruch und eine innere Vorrichtungsbeschädigung
verringern oder beseitigen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung stellt allgemein ein neues temporäres
Bondingverfahren bereit. In einer Ausführungsform wird
bei dem Verfahren ein Stapel bereitgestellt, der ein erstes Substrat
mit einer Rückseitenoberfläche und eine Vorrichtungsoberfläche
enthält, wobei die Vorrichtungsoberfläche einen peripheren
Bereich und einen zentralen Bereich aufweist. Der Stapel enthält
ferner ein zweites Substrat mit einer Trägeroberfläche
und einen Randbond, das mit dem peripheren Bereich und der Trägeroberfläche
gebondet ist. Der Randbond fehlt bei mindestens einem Teil des zentralen
Bereichs und bildet somit eine Füllzone, wobei in der Füllzone
ein Füllmaterial vorliegt. Bei dem Verfahren werden ferner
die ersten und zweiten Substrate getrennt.
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In
einer weiteren Ausführungsform wird bei dem Verfahren ein
erstes Substrat mit Vorderseiten- und Rückseitenoberflächen
bereitgestellt, wobei die Vorderseitenoberfläche einen
peripheren Bereich und einen zentralen Bereich aufweist. Am peripheren Bereich
wird ein Randbond gebildet, und der Randbond fehlt bei mindestens
einem Teil des zentralen Bereichs. Ein Füllmaterial wird
in den zentralen Bereich eingebracht.
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In
noch einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung
einen Gegenstand bereit, der ein erstes Substrat mit Vorderseiten-
und Rückseitenoberflächen enthält. Die
Vorderseitenoberfläche des ersten Substrats weist einen
peripheren Bereich und einen zentralen Bereich auf. Der Gegenstand
enthält ferner einen Randbond, der mit dem peripheren Bereich
gebondet ist, wobei der Randbond bei mindestens einem Teil des zentralen
Bereichs fehlt, um eine Füllzone zu bilden, die darin ein
Füllmaterial einschließt.
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In
einer weiteren Ausführungsform betrifft die Erfindung einen
Gegenstand, der ein Substrat mit Vorderseiten- und Rückseitenoberflächen
enthält. Die Vorderseitenoberfläche des Substrats
weist einen peripheren Bereich und einen zentralen Bereich auf,
und im zentralen Bereich der Vorderseitenoberfläche befindet
sich eine Materialschicht. Die Schicht fehlt im peripheren Bereich
und ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus einer Schicht
mit einer geringen Bindungsfestigkeit und einer Oberflächenmodifizierung
der Vorderseitenoberfläche.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Zeichnung, die eine Ausführungsform für
das Bonden von Substraten gemäß der Erfindung
zeigt;
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2 ist
eine schematische Zeichnung, die eine alternative Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt, bei der zwei der Verfahrensstufen vertauscht
worden sind;
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3 ist
eine schematische Zeichnung, die eine alternative Ausführungsform
der Erfindung wiedergibt, bei der ein Laminat als die Füllschicht
eingesetzt werden kann;
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4 ist
eine schematische Zeichnung, die eine weitere alternative Ausführungsform
der Erfindung wiedergibt, bei der eine zweite Schicht verwendet
wird, die an die Füllschicht angrenzt;
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5 ist
eine schematische Zeichnung, die eine mögliche gewerbliche
Variation der Ausführungsform von 4 zeigt;
und
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6 ist
eine schematische Zeichnung, die eine weitere Variation der vorliegenden
Erfindung zeigt.
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Ausführliche Beschreibung
der bevorzugten Ausführungsformen
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1 zeigt
ein Verfahren, durch welches das periphere Bonden der vorliegenden
Erfindung durchgeführt werden kann. Im Bezug auf Stufe
(a) von 1 wird eine Vorläuferstruktur 10 in
einer schematischen und Querschnittsansicht dargestellt. Struktur 10 schließt
ein erstes Substrat 12 ein. In dieser Ausführungsform
ist das erste Substrat 12 ein Vorrichtungswafer. Das heißt,
dass das Substrat 12 eine Vorderseiten- oder Vorrichtungsoberfläche 14,
eine Rückseitenoberfläche 16 und einen äußersten
Rand 17 aufweist. Obwohl das Substrat 12 von irgendeiner Form
sein kann, wäre es typischerweise kreisförmig. Ungeachtet
der Form weist die Vorderseiten- oder Vorrichtungsoberfläche 14 einen
peripheren Bereich 18 und einen zentralen Bereich 20 auf.
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Bevorzugte
erste Substrate 12 schließen Vorrichtungswafer
ein, deren Vorrichtungsoberflächen Arrays von Vorrichtungen
enthalten, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend
aus integrierten Schaltungen, MEMS, Mikrosensoren, Leistungshalbleitern,
lichtdemittierenden Dioden, Photonischen Schaltungen, Interposern,
eingebetteten passiven Vorrichtungen und weiteren Mikrovorrichtungen,
die auf oder aus Silizium oder weiteren halbleitenden Materialien
wie zum Beispiel Silizium-Germanium, Galliumarsenid und Galliumnitrid
hergestellt sind. Die Oberflächen dieser Vorrichtungen
enthalten üblicherweise Strukturen, die aus einem oder
mehreren der folgenden Materialien gebildet sind: Silizium, Polysilizium,
Siliziumdioxid, Silizium(oxy)nitrid, Metallen (z. B. Kupfer, Aluminium,
Gold, Wolfram, Tantal), Dielektrika mit geringem k-Wert, Polymerdielektrika
und verschiedenen Metallnitriden und -siliziden. Die Vorrichtungsoberfläche 14 kann
ferner erhöhte Strukturen wie zum Beispiel Lötperlen
und Metallpfosten und -pfeiler enthalten.
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Ein
Füllmaterial wird auf die Vorrichtungsoberfläche 14 von
Substrat 12 aufgetragen, um eine Füllschicht 22 zu
bilden. Die Füllschicht 22 weist erste und zweite
Oberflächen 24, 26 sowie einen äußersten
Teilbereich 28 auf. Es ist bevorzugt, dass die Füllschicht 22 so
aufgetragen wird, dass sie eine Dicke (gemessen an ihrer dicksten
Stelle) von etwa 5 μm bis etwa 100 μm, bevorzugter
von etwa 5 μm bis etwa 50 μm, und noch bevorzugter
von etwa 10 μm bis etwa 30 μm aufweist.
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Die
Auftragung des Füllmaterials kann mittels irgendeines herkömmlichen
Mittels durchgeführt werden, das Rotationsbeschichtung,
Gießen aus der Lösung (z. B. Miniskusbeschichtung
oder Walzenbeschichtung), Tintenstrahlbildung und Sprühbeschichtung
einschließt. Wenn es mittels Rotationsbeschichtung aufgetragen
wird, wird das die Füllschicht 22 bildende Material
typischerweise bei Geschwindigkeiten von etwa 500 U/min bis etwa
5000 U/min über einen Zeitraum von etwa 60 Sekunden bis
etwa 120 Sekunden rotationsbeschichtet. Die Schicht würde anschließend
nahe oder oberhalb des Siedepunktes des bzw. der Lösungsmittel(s),
das (die) in der Füllschicht 22 vorhanden ist
(sind) (z. B. von etwa 80°C bis etwa 250°C), für
einen Zeitraum von etwa 1 Minute bis etwa 15 Minuten gebacken, um
den Gehalt an restlichem Lösungsmittel in der Füllschicht 22 auf
weniger als etwa 1 Gew.-% zu reduzieren.
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Die
Füllschicht 22 wird typischerweise aus einem Material
gebildet, das Monomere, Oligomere und/oder Polymere enthält,
die in einem Lösungsmittelsystem dispergiert oder gelöst
sind. Falls die Füllschicht mittels Rotationsbeschichtung
aufgetragen wird, ist es bevorzugt, dass der Feststoffgehalt dieses
Materials etwa 1 Gew.-% bis etwa 50 Gew.-%, bevorzugter etwa 5 Gew.-%
bis etwa 40 Gew.-%, und noch bevorzugter etwa 10 Gew.-% bis etwa
30 Gew.-% beträgt. Beispiele geeigneter Monomere, Oligomere
und/oder Polymere schließen solche ein, die ausgewählt
sind aus der Gruppe bestehend aus Cycloolefinpolymeren und -copolymeren
und amorphen Fluorpolymeren mit hohem Gehalt an Fluoratomen (größer
als etwa 30 Gew.-%) wie zum Beispiel fluorierten Siloxanpolymeren,
fluorierten Ethylen-Propylen-Copolymeren, Polymeren mit Perfluoralkoxyseitengruppen
und Copolymeren von Tetrafluorethylen und 2,2-Bis-trifluormethyl-4,5-difluor-1,3-dioxol,
die besonders bevorzugt sind. Es wird betont, dass die Bondfestigkeit
dieser Materialien von deren spezifischen chemischen Strukturen
und den Beschichtungs- und Backbedingungen, die verwendet werden,
um sie aufzutragen, abhängen wird.
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Beispiele
geeigneter Lösungsmittelsysteme für Cycloolefinpolymere
und -copolymere schließen Lösungsmittel ein, die
ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus aliphatischen
Lösungsmitteln wie zum Beispiel Hexan, Decan, Dodecan und
Dodecen, alkylsubstituierten aromatischen Lösungsmitteln
wie zum Beispiel Mesitylen und Mischungen davon. Geeignete Lösungsmittelsysteme
für amorphe Fluorpolymere schließen Fluorkohlenstofflösungsmittel
ein, die beispielsweise von 3 M Corporation unter der Marke FLUORINERT® verkauft werden.
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In
einer weiteren Ausführungsform könnte die Füllschicht 22 ferner
aus einem polymeren Material gebildet werden, das dispergierte Nanopartikel enthält.
Geeignete Nanopartikelmaterialien schließen solche ein,
die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid,
Ceroxid, Titandioxid, Siliziumdioxid, Zirkonium, Graphit und Mischungen davon.
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Das
Material, aus dem die Füllschicht 22 gebildet
wird, sollte bei Temperaturen von etwa 150°C bis etwa 350°C,
und vorzugsweise von etwa 200°C bis 300°C, stabil
bleiben. Darüber hinaus sollte dieses Material unter den
chemischen Bedingungen, denen es in den bestimmten Rückseitenverfahren begegnet,
denen es unterzogen wird, stabil sein. Die Füllschicht 22 sollte
sich nicht zersetzen (d. h. weniger als etwa 1% Gewichtsverlust)
oder anderweitig ihre mechanische Integrität unter diesen
Bedingungen verlieren, zum Beispiel durch Schmelzen. Die Füllschicht 22 sollte
ferner keine Entgasung zeigen, die dazu führen könnte,
dass die dünnen Vorrichtungswafer Blasen bilden oder sich
verformen, insbesondere wenn sie Hochvakuumverfahren unterzogen werden,
wie während der Abscheidung von CVD-dielektrischen Schichten.
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In
dieser Ausführungsform bildet die Füllschicht 22 vorzugsweise
keine starken Haftverbindungen, was die spätere Trennung
erleichtert. Allgemein gesagt sind amorphe polymere Materialien
erwünscht, die (1) geringe freie Oberflächenenergien aufweisen,
(2) nicht klebrig sind und dafür bekannt sind, nicht stark
an Glas, Silizium und Metalloberflächen zu haften (d. h.
typischerweise sehr geringe Konzentrationen an Hydroxyl- oder Carbonsäuregruppen,
und vorzugsweise keine solchen Gruppen, aufweisen würden),
(3) aus der Lösung gegossen werden können oder
zur Laminierung zu einer dünnen Folie verarbeitet werden
können, (4) unter typischen Bondingbedingungen fließen
werden, um die Vorrichtungswaferoberflächentopographie
zu füllen, wobei zwischen den Substraten ein hohlraumfreier Bondfilm
gebildet wird, und (5) unter mechanischer Beanspruchung, der sie
während der Rückseitenbearbeitung begegnen, sogar
wenn diese bei hohen Temperaturen oder unter Hochvakuumbedingungen durchgeführt
werden, keine Risse bilden, nicht fließen oder sich neu
verteilen werden. So wie hierin verwendet, ist die geringe freie
Oberflächenenergie als ein polymeres Material definiert,
das einen Kontaktwinkel mit Wasser von mindestens etwa 90° zeigt und
eine kritische Oberflächenspannung von weniger als etwa
40 dynes/cm, vorzugsweise weniger als etwa 30 dynes/cm und noch
bevorzugter etwa 12 dynes/cm bis etwa 25 dynes/cm aufweist, wie
durch Kontaktwinkelmessungen bestimmt.
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Die
geringe Bondfestigkeit bezieht sich auf polymere Materialien, die
nicht haften oder von einem Substrat mit nur geringem Handdruck
debondet werden können, wie er verwendet werden könnte,
um ein anbindendes Notizpapier zu debonden. Somit wäre
irgendetwas mit einer Haftstärke von weniger als etwa 50
psi Überdruck, vorzugsweise von weniger als etwa 35 psi Überdruck,
und noch bevorzugter von etwa 1 psi Überdruck bis etwa
30 psi Überdruck zur Verwendung als Füllschicht 22 erwünscht.
So wie hierin verwendet, ist die Bindungsfestigkeit mittels ASTM
D4541/D7234 bestimmt. Beispiele geeigneter polymerer Materialien,
die die obigen Eigenschaften aufweisen, schließen einige
Cycloolefinpolymere und -copolymere, die unter den Bezeichnungen
APEL® von Mitsui, TOPAS® von Ticona und ZEONOR® von Zeon
brands verkauft werden, und lösungsmittellösliche
Fluorpolymere wie zum Beispiel CYTOP®-Polymere,
die von Asahi Glass verkauft werden, und TEFLON® AF-Polymere,
die von DuPont verkauft werden, ein. Die Bondfestigkeit dieser Materialien
wird von den Beschichtungs- und Backbedingungen abhängen,
die verwendet werden, um sie aufzutragen.
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Als
nächstes, und mit Bezug auf Stufe (b) von 1,
wird der äußerste Teilbereich 28 der
Füllschicht 22 entfernt. Dies kann durch irgendein
Mittel erreicht werden, das die Entfernung der gewünschten
Menge ohne Beschädigen des ersten Substrats 12 ermöglicht,
einschließlich des Auflösens des äußersten
Teilbereichs 28 mit einem Lösungsmittel, das dafür
bekannt ist, ein gutes Lösungsmittel für das Material
zu sein, aus dem die Füllschicht 22 gebildet ist. Beispiele
solcher Lösungsmittel schließen solche ein, die
ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus aliphatischen
Lösungsmitteln (z. B. Hexan, Decan, Dodecan und Dodecen),
Fluorkohlenstofflösungsmitteln und Mischungen davon. Nach
der Randentfernung weist die Füllschicht 22 einen äußersten
Rand 30 auf, der in einer Entfernung „D” von dem äußeren
Rand 17 angeordnet ist. „D” beträgt
typischerweise etwa 2 mm bis etwa 15 mm, vorzugsweise etwa 2 mm
bis etwa 10 mm, und noch bevorzugter etwa 2 mm bis etwa 5 mm. Der
Kontakt mit dem Randentfernungslösungsmittel kann für
eine ausreichende Zeit beibehalten werden, um die gewünschte
Menge von Füllschicht 22 aufzulösen,
um die erwünschte Entfernung „D” zu erzielen,
jedoch wären typische Kontaktzeiten etwa 5 Sekunden bis etwa
60 Sekunden.
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Mit
Bezug auf Stufe (c) von 1 wird ein zweites Substrat 32 abgebildet.
In dieser besonderen Ausführungsform ist das zweite Substrat 32 ein
Trägersubstrat. Das zweite Substrat 32 schließt
eine Trägeroberfläche 34, eine Rückseitenoberfläche 36 und
einen äußeren Rand 38 ein. Wie im Fall
des ersten Substrats 12, kann das zweite Substrat 32 von
irgendeiner Form sein, obwohl es typischerweise kreisförmig
wäre. Darüber hinaus wäre das zweite Substrat 32 vorzugsweise
von einer Größe, die etwa der Größe
des ersten Substrats 12 entspricht, so dass der äußere
Rand 38 des zweiten Substrats 32 im Wesentlichen
entlang der gleichen Ebene wie der äußere Rand 17 des
ersten Substrats 12 liegen wird. Ungeachtet der Form weist
die Trägeroberfläche 34 einen peripheren
Bereich 40 und einen zentralen Bereich 42 auf.
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Bevorzugte
Substrate 32 enthalten ein Material, das ausgewählt
ist aus der Gruppe bestehend aus Silizium, Saphir, Quarz, Metallen
(z. B. Aluminium, Kupfer, Stahl) und verschiedenen Gläsern
und Keramiken. Das Substrat 32 kann ferner weitere Materialien
einschließen, die auf dessen Oberfläche abgeschieden
sind. Zum Beispiel kann Siliziumnitrid auf einem Siliziumwafer abgeschieden
werden, um die Bindungseigenschaften der Füllschicht 22 zu ändern.
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Das
zweite Substrat 32 wird mit der Füllschicht 22 in
Kontakt gebracht, was einen Hohlraum 44 zwischen dem peripheren
Bereich 18 des ersten Substrats 12 und dem peripheren
Bereich 40 des zweiten Substrats 32 hinterlässt.
Dieser Kontakt wird vorzugsweise unter Hitze und Druck durchgeführt,
so dass sich das Material, aus dem die Füllschicht 22 gebildet
ist, im Wesentlichen gleichmäßig entlang der Vorderseitenoberfläche 14 des
ersten Substrats 12 sowie entlang der Trägeroberfläche 34 des
zweiten Substrats 32 verteilt. Der Druck und die Hitze
werden basierend auf dem chemischen Aufbau der Füllschicht 22 angepasst
und werden so ausgewählt, dass die Entfernung „D” nach
dem Pressen des zweiten Substrats 32 auf das erste Substrat 12 im
Wesentlichen die gleiche bleibt wie vor einem solchen Zusammenpressen.
Das heißt, dass die Füllschicht 22 wenig
oder keinen Fluss in den Hohlraum 44 erfährt und
die Entfernung „D” nach dem Zusammenpressen innerhalb
etwa 10% der Entfernung „D” vor dem Zusammenpressen
sein wird. Typische Temperaturen während dieser Stufe werden
von etwa 150°C bis etwa 375°C, und vorzugsweise
von etwa 160°C bis etwa 350°C reichen, wobei die
Drücke typischerweise von etwa 1000 N bis etwa 5000 N,
und vorzugsweise von etwa 2000 N bis etwa 4000 N reichen.
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Als
nächstes wird ein Verbindungsmaterial in den Hohlraum 44 eingeführt
(siehe Stufe (d) von 1), um einen Randbond 46 zu
bilden, der eine Dicke aufweisen wird, die der oben hinsichtlich
der Füllschicht 22 beschriebenen entspricht. Weil
der Hohlraum 44 auf den äußeren Umfang
der Substrate 12 und 32 beschränkt wurde,
wird der Randbond 46 ebenfalls eingeschränkt sein.
In Fällen, in denen die Substrate 12 oder 32 kreisförmig
sind, wird der Randbond 46 ringförmig sein. Daher
gibt es eine ungleichmäßige Materialverteilung über
die Substrate 12 und 32, im Gegensatz zu Haftmitteln
des Standes der Technik, die eine gleichmäßige
Schicht des gleichen Materials zwischen den und über die
beiden Substrate 12 und 32 aufweisen.
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Das
Randbondingmaterial kann durch irgendeine Zahl von Mitteln eingeführt
werden, wobei ein geeigneter Mechanismus die Verwendung einer Nadel,
einer Spritze oder eines Spitzeneinspritzinstruments (engl. „tip
dispense instrument”) ist, um das Material in den Hohlraum 44 abzugeben,
während die Struktur 10 langsam gedreht wird,
bis der Hohlraum 44 mit dem Bondmaterial gefüllt
ist, und somit der Randbond 46 gebildet wird. Der Randbond 46 kann
ferner mittels kapillaren Füllens von Hohlraum 44 oder
mittels chemischer Gasphasenabscheidung aufgetragen werden. In einem
weiteren Auftragungsverfahren kann ein flüssiges (100 Feststoffe
oder Lösung) Randbondmaterial unter Verwendung eines randumwickelnden
Ablenksystems (engl. „edge-wrapping baffle system”)
auf dem Rand des Trägers oder Vorrichtungswafers aufgetragen
werden, bevor die Substrate 12 und 32 in Kontakt
gebracht werden. Ein solches System ist von Dalvi-Malhotra
et al., „Use of silane-based primer on Silicon wafers to
enhance adhesion of edgeprotective coatings during wet etching:
Application of the TALON WrapTM process," Proceedings of
SPIE, Vol. 6462, 2007, Seiten 64620B-1 bis 64620B-7 offenbart,
das hierin durch Bezugnahme eingefügt ist. Der Randbond 46 wird
anschließend dem geeigneten Härtungs- oder Verfestigungsverfahren
unterzogen (z. B. UV-Vernetzung).
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Die
Materialien, aus denen der Randbond 46 gebildet wird, sollten
dazu geeignet sein, einen starken Haftbond mit den Substraten 12 und 32 zu
bilden. Irgendetwas mit einer Bindungsfestigkeit von größer
als etwa 50 psi Überdruck, vorzugsweise von etwa 80 psi Überdruck
bis etwa 250 psi Überdruck, und noch bevorzugter von etwa
100 psi Überdruck bis etwa 150 psi Überdruck wäre
zur Verwendung als Randbond 46 wünschenswert.
Darüber hinaus beträgt die Bindungsfestigkeit
des Randbonds 46 mindestens etwa 0,5 psi Überdruck,
vorzugsweise mindestens etwa 20 psi Überdruck, und noch
bevorzugter etwa 50 psi Überdruck bis etwa 250 psi Überdruck mehr
als die Bindungsfestigkeit der Füllschicht 22. Darüber
hinaus muss das Material, aus dem der Randbond 46 gebildet
wird, die thermischen und chemischen Stabilitätserfordernisse
der Rückseitenbearbeitung erfüllen. Der Randbond 46 sollte
bei Temperaturen von etwa 150°C bis etwa 350°C,
und vorzugsweise von etwa 200°C bis etwa 300°C
stabil bleiben. Darüber hinaus sollte dieses Material unter
den chemischen Bedingungen, denen es in den Rückseitenverfahren
begegnet, dem der gebondete Stapel unterzogen wird, stabil sein.
Der Randbond 46 sollte bei den oben beschriebenen Rückseitenbearbeitungstemperaturen
sich nicht zersetzen (d. h. weniger als etwa 1% Gewichtsverlust)
oder anderweitig seine mechanische Integrität verlieren.
Diese Materialien sollten ferner keine flüchtigen Verbindungen freisetzen,
die eine Blasenbildung von dünnen Vorrichtungswafern verursachen
könnten, insbesondere wenn sie Hochvakuumverfahren unterzogen
werden, wie zum Beispiel während der Abscheidung von CVD-dielektrischen
Schichten.
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Bevorzugte
Randabdichtungs- oder Randbondmaterialien schließen handelsübliche
temporäre Waferbondzusammensetzungen wie zum Beispiel die
WaferBOND®-Materialien (die von
Brewer Science Inc., Rolla, MO verkauft werden) ein, zusammen mit
Harzen und Polymeren, die hohe Bindungsfestigkeiten gegenüber
Halbleitermaterialien, Glas und Metallen aufweisen. Besonders bevorzugt
sind: (1) UV-härtbare Harzsysteme mit hohem Feststoffgehalt
wie zum Beispiel reaktive Epoxidharze und Acryle, (2) verwandte
thermisch aushärtende Harzsysteme wie zum Beispiel zweiteilige
Epoxid- und Silikonhaftmittel, (3) thermoplastische Acryl-, styrolische,
Vinylhalogenid- (nicht fluorhaltig) und Vinylesterpolymere und -copolymere,
zusammen mit Polyamiden, Polyimiden, Polysulfonen, Polyethersulfonen
und Polyurethanen, die aus der Schmelze oder als Lösungsbeschichtungen
aufgetragen werden, die nach der Auftragung gebacken werden, um
die peripheren Bereiche 18 und 40 zu trocknen
und dichter zu machen, und (4) Cycloolefine, Polyolefinkautschuke
(z. B. Polyisobutylen) und kohlenwasserstoffbasierte Klebrigmacherharze.
Wie im Fall der Materialien, die verwendet werden, um die Füllschicht 22 zu
bilden, wird betont, dass die Bondfestigkeit der Randbondmaterialien
ferner von deren speziellen chemischen Strukturen und den Beschichtungs-
und Backbedingungen, die verwendet werden, um sie aufzutragen, abhängen
wird.
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In
diesem Stadium kann das erste Substrat 12 sicher gehandhabt
werden und weiteren Verfahren unterzogen werden, die ansonsten,
wenn es nicht an das zweite Substrat 32 gebunden wäre,
das erste Substrat 12 beschädigt haben könnten.
Somit kann die Struktur einer Rückseitenbearbeitung wie
Rückseitenschleifen, CMP, Ätzen, Metall- und Dielektrikumsabscheidung,
Musterbildung (z. B. Photolithographie, mittels Ätzen),
Passivierung, Glühen und Kombinationen davon sicher unterzogen
werden, ohne dass eine Trennung der Substrate 12 und 32 auftritt,
und ohne Eindringen irgendwelcher Chemikalien, denen sie während
dieser anschließenden Bearbeitungsstufen begegnet, in die
zentralen Bereiche 20 und 42 zwischen den Substraten 12 und 32.
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Vorteilhafterweise
werden die getrockneten oder gehärteten Schichten der gestapelten
Struktur in dieser und sämtlichen Ausführungsformen
etliche sehr wünschenswerte Eigenschaften besitzen. Beispielsweise
werden die Schichten während Heiz- und/oder Vakuumabscheidungsverfahren
wenig Entgasung zeigen. Das heißt, dass das Backen bei
etwa 150 bis 300°C für bis zu etwa 60 Minuten
zu einer Änderung der Foliendicke der Füllschicht 22 und
des Randbonds 46 von weniger als etwa 5% führt,
vorzugsweise weniger als etwa 2% und noch bevorzugter weniger als
etwa 1%. Somit können die getrockneten Schichten auch auf
Temperaturen von bis zu 350°C erhitzt werden, vorzugsweise
bis zu etwa 320°C und noch bevorzugter bis zu etwa 300°C, ohne
dass in der Schicht chemische Reaktionen auftreten. In einigen Ausführungsformen
können die Schichten in dem gebondeten Stapel ferner bei
einer Temperatur von etwa 80°C für etwa 15 Minuten
polaren Lösungsmitteln (z. B. N-methyl-2-pyrrolidon) ausgesetzt
werden, ohne zu reagieren oder sich auflösen.
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Die
Bondintegrität des Randbonds 46 kann sogar bei
Einwirkung einer Säure oder Base beibehalten werden. Das
heißt, dass ein getrockneter Randbond mit einer Dicke von
etwa 15 μm in ein saures Medium (z. B. konzentrierte Schwefelsäure)
bei Raumtemperatur für etwa 10 Minuten oder in ein basisches
Medium (z. B. 30 Gew.-% KOH) bei etwa 85°C für
45 Minuten eingetaucht werden kann, während die Bondintegrität
beibehalten wird. Die Bondintegrität kann bewertet werden,
indem ein Glasträgersubstrat verwendet wird und der Randbond 46 durch das
Glasträgersubstrat visuell beobachtet wird, um auf Blasen,
Hohlräume, etc. zu überprüfen.
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Wenn
die gewünschte Bearbeitung einmal beendet ist, können
das erste Substrat 12 und das zweite Substrat 32 leicht
getrennt werden. In einem Trennungsverfahren wird der Randbond 46 zuerst mit
der Hilfe eines Lösungsmittels oder anderer chemischer
Mittel aufgelöst. Dies kann durch Eintauchen in das Lösungsmittel
oder durch Sprühen eines Strahls des Lösungsmittels
auf den Randbond 46 bewerkstelligt werden, um ihn aufzulösen.
Die Verwendung von thermoplastischen Materialien ist besonders wünschenswert,
wenn eine Lösungsmittelauflösung eingesetzt werden
soll, um den Randbond 46 zu zerstören. Lösungsmittel,
die während dieses Entfernungsverfahrens typischerweise
verwendet werden könnten, schließen solche ein,
die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Ethyllactat,
Cyclohexanon, N-Methylpyrrolidon, aliphatischen Lösungsmitteln
(z. B. Hexan, Decan, Dodecan und Dodecen) und Mischungen davon.
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Die
Substrate 12 und 32 können ferner getrennt
werden, indem zuerst die Kontinuität des Randbonds 46 unter
Verwendung von Laserablation, Plasmaätzen, Bestrahlen mit
Wasser oder anderen Hochenergietechniken, die den Randbond 46 wirksam ätzen
oder zersetzen, mechanisch zerrissen oder zerstört wird.
Es ist ferner möglich, zuerst den Randbond 46 durchzusägen
oder -zuschneiden oder den Randbond 46 mit einem gleichwertigen
Mittel zu spalten.
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Ungeachtet
dessen, welches der obigen Mittel eingesetzt wird, kann anschließend
eine geringe mechanische Kraft (z. B. Fingerdruck, leichtes Keilen)
angewendet werden, um die Substrate 12 und 32 vollständig
zu trennen. Vorteilhafterweise, und im Gegensatz zu den Bondingverfahren
des Standes der Technik, erfordert es die Trennung nicht, starke Haftbonds
zwischen der Füllschicht 22 und den Substraten 12 oder 32 zu überwinden.
Damit eine Trennung auftritt, ist es stattdessen lediglich notwendig, die
Haftbonds an dem Randbond 46 in den peripheren Bereichen 18 und 40 zu
lösen. Die Oberflächen der Substrate 12 und/oder 32 können
anschließend mit geeigneten Lösungsmitteln sauber
gespült werden, falls dies notwendig sein sollte, um irgendwelches
restliches Material zu entfernen.
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Während
das Obige das wichtigste Verfahren der Anwendung der vorliegenden
Erfindung beschreibt, gibt es mehrere alternative Ausführungsformen
der Erfindung. Zum Beispiel beschreibt die obige Ausführungsform
das erste Substrat 12 als einen Vorrichtungswafer und das
zweite Substrat 32 als ein Trägersubstrat. Es
ist ebenfalls akzeptabel, dass das erste Substrat 12 das
Trägersubstrat ist und das zweite Substrat 32 der
Vorrichtungswafer ist. In diesem Fall wird die Vorderseitenoberfläche 14 des
ersten Substrats 12 keine Vorrichtungsoberfläche
sein, sondern wird eher eine Trägeroberfläche
sein. Ferner wird die Oberfläche 34 des zweiten
Substrats 32 keine Trägeroberfläche sein,
sondern wird stattdessen eine Vorrichtungsoberfläche sein.
Mit anderen Worten kann die Füllschicht eher auf den Träger
als auf den Vorrichtungswafer aufgetragen werden, wobei die gestapelte
Struktur während der anschließenden Bondbildungsstufe
mit der gleichen Qualität gebildet wird.
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Darüber
hinaus beschreibt die obige Ausführungsform die aufeinanderfolgende
Auftragung der Füllschicht 22 und des Randbonds 46 auf
dasselbe Substrat 12. Es ist ebenfalls geeignet, eines
von Füllschicht 22 und Randbond 46 auf
das erste Substrat 12 und das andere von Füllschicht 22 und
Randbond 46 auf das zweite Substrat 32 aufzutragen.
Die ersten und zweiten Substrate könnten anschließend
in einer Anordnung von Angesicht zu Angesicht unter Hitze und/oder
Druck wie oben beschrieben zusammengepresst werden, um die beiden
zu bonden.
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Letztlich,
während es in einigen Ausführungsformen bevorzugt
ist, dass die Füllschicht 22 keine starken Haftbonds
mit entweder der Vorrichtungsoberfläche 14 oder
der Trägeroberfläche 34 bildet, kann
es in anderen Ausführungsformen wünschenswert
sein, die Füllschicht 22 so zu formulieren, dass
sie keine starken Haftbonds mit lediglich einer der Vorrichtungsoberfläche 14 oder
der Trägeroberfläche 34 bildet.
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Mit
Bezug auf 2 wird eine weitere alternative
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dargestellt,
wobei gleiche Teile wie in 1 nummeriert
sind. Wie in dieser Figur veranschaulicht wird, werden die Substrate 12 und 32,
die Füllschicht 22 und der Randbond 46 aus
den gleichen Materialien gebildet wie oben hinsichtlich 1 beschrieben,
lediglich die Verfahrensfolge wurde geändert. Das heißt,
dass mit Bezug auf Stufe (c') von 2 das Bond-
oder Dichtungsmaterial, das verwendet wird, um den Randbond 46 zu
bilden, nach der Auftragung von Füllschicht 22,
jedoch vor dem in Kontakt bringen des zweiten Substrats 32 mit
der Füllschicht 22 (gezeigt in Stufe (d')) in
den Hohlraum 44 eingebracht wird.
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Wie
im Fall der Ausführungsform von 1 könnte
das erste Substrat 12 das Trägersubstrat sein und
das zweite Substrat 32 könnte der Vorrichtungswafer
sein. In diesem Fall wird die Vorderseitenoberfläche 14 des
ersten Substrats 12 erneut keine Vorrichtungsoberfläche
sein, sondern wird eher eine Trägeroberfläche
sein. Ferner wird die Oberfläche 34 des zweiten
Substrats 32 keine Trägeroberfläche sein,
sondern wird stattdessen eine Vorrichtungsoberfläche sein.
Diese alternative Anordnung ist besonders vorteilhaft, weil die
Struktur 10, die in Stufe (c') von 2 gezeigt
wird, derart hergestellt werden könnte, dass das erste
Substrat 12 als Trägerwafer bereitgestellt wird.
Diese Struktur könnte anschließend einem Endverbraucher
bereitgestellt werden, der einen Vorrichtungswafer an die Struktur
bonden und den Stapel einer Weiterbearbeitung aussetzen würde.
Damit wäre dem Endverbraucher ein haftbereiter Träger
mit zusätzlichem Komfort verfügbar, da Bearbeitungsstufen
für den Endverbraucher beseitigt werden.
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3 gibt
noch eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
wieder, wobei für gleiche Teile erneut die gleiche Nummerierung
verwendet wird. In dieser Ausführungsform wird die Füllschicht 22 als
ein Laminat bereitgestellt, das an das erste Substrat 12 unter
Hitze, Druck und/oder Vakuum geheftet wird, wie es für
das bestimmte Material erforderlich ist, um sicherzustellen, dass
es zwischen der Füllschicht 22 und der Vorderseitenoberfläche 14 keine
Hohlräume gibt (siehe Stufe (A) von 3). Das
Laminat ist auf die geeignete Form (z. B. kreisförmig)
vorgeschnitten oder wird nach der Auftragung mechanisch abgeschnitten,
so dass der Hohlraum 44 geeigneter Größe
hergestellt wird, wie oben diskutiert. Das Bond- oder Dichtungsmaterial,
das verwendet wird, um den Randbond 46 zu bilden, wird
nach der Auftragung des Laminats, das verwendet wird, um die Füllschicht 22 zu
bilden, und vor dem in Kontakt bringen des zweiten Substrats 32 mit
der Füllschicht 22 in den Hohlraum eingebracht
(gezeigt in Stufe (c)).
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Wie
bereits im Fall der Ausführungsformen von 1 und 2 könnte
das erste Substrat 12 der Trägerwafer sein und
das zweite Substrat 32 könnte der Vorrichtungswafer
sein. In diesem Fall wird die Vorderseitenoberfläche 14 des
ersten Substrats 12 erneut keine Vorrichtungsoberfläche
sein, sondern wird eher eine Trägeroberfläche
sein. Ferner wird die Oberfläche 34 des zweiten
Substrats 32 keine Trägeroberfläche sein,
sondern wird stattdessen eine Vorrichtungsoberfläche sein.
Wie im Fall der Ausführungsform von 2 ist diese
alternative Anordnung besonders vorteilhaft, weil die Struktur 10, die
in Stufe (B) von 3 gezeigt wird, derart hergestellt
werden könnte, dass das erste Substrat 12 als Trägersubstrat
bereitgestellt wird. Diese Struktur könnte anschließend
einem Endverbraucher bereitgestellt werden, der einen Vorrichtungswafer
an die Struktur bonden und den Stapel einer Weiterbearbeitung unterziehen
würde.
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Eine
weitere alternative Ausführungsform ist in 4 dargestellt,
wobei die gleiche Nummerierung verwendet wird, um die gleichen Teile
wiederzugeben. Eine Struktur 48 ist dargestellt. Struktur 48 ist der
Struktur 10 ähnlich, die in Stufe (d) von 1 gezeigt
wird (und wird ähnlich gebildet), abgesehen davon, dass
Struktur 48 ferner eine zweite Schicht 50 enthält.
Die Schicht 50 kann eine Schicht mit einer geringen Haftfestigkeit
sein, wie zum Beispiel eine Antihaftbeschichtung (z. B. Formtrennmittel),
die aufgetragen wird, um die Trennung nach einer Rückseiten-
oder anderen Bearbeitung zu erleichtern. Die Verwendung der Antihaftbeschichtung
vermindert das Erfordernis für die Füllschicht 22,
mit den ersten oder zweiten Substraten 12 oder 32 eine
nichthaftende Grenzfläche oder eine Grenzfläche
mit geringer Haftfestigkeit zu bilden.
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Anstatt
in der Form einer Schicht mit einer geringen Haftfestigkeit zu sein,
könnte Schicht 50 (nicht maßstabsgerecht)
auch eine Fläche auf der Vorderseitenoberfläche 14 des
ersten Substrats 12 wiedergeben, die chemisch modifiziert
wurde, um eine dauerhaft nichthaftende Oberflächenschicht
zu erhalten oder eine Oberflächenschicht, an der ein Füllmaterial
nicht stark haften kann. Solche Modifizierungen können
zum Beispiel einschließen: (a) chemische Behandlung einer
Siliziumoberfläche mit einem hydrophoben Organosilan wie
zum Beispiel einem (Fluor)alkylsilan (z. B. Perfluoralkyltrichlorsilan) oder
einem (Fluor)alkylphosphonat, um deren freie Oberflächenenergie
zu verringern, oder (b) chemische Gasphasenabscheidung einer Beschichtung mit
einer geringen freien Oberflächenenergie (z. B. fluorierte
Parylene oder Parylen AF 4) auf den Träger, um eine dauerhaft
nichthaftende Oberfläche zu erzeugen. Der Vorteil dieses
Ansatzes ist, dass die füllende(n) Schicht(en) aus irgendeiner
Kombination von anderen Eigenschaften (z. B. Dicke, Löslichkeit, thermische
Stabilität) ausgewählt werden kann bzw. können
als dem Bereitstellen einer nichthaftenden Grenzfläche
oder einer Grenzfläche mit einer geringen Haftfestigkeit
gegenüber dem Substrat. Wenn eine Oberflächenmodifizierung
durchgeführt wird, wird die Dicke von Schicht 50 im
Allgemeinen in der Größenordnung von etwa 1 nm
bis etwa 5 nm liegen.
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Letztlich
könnte die Schicht 50 anstelle einer Schicht mit
einer geringen Haftfestigkeit oder einer Oberflächenmodifizierung
auch eine zweite polymere Schicht darstellen. Schicht 50 könnte
eine Polymerbeschichtung sein, die ausgewählt ist aus der
Gruppe bestehend aus Cycloolefinpolymeren und -copolymeren mit einer
geringen Haftfestigkeit gegenüber dem Substrat 12 oder 32,
auf das sie aufgetragen wird, oder der Füllschicht 22,
mit der sie in Kontakt ist, oder die Schicht 50 könnte
auch eine permanent nichthaftende Schicht wie zum Beispiel eine
Fluorpolymerbeschichtung (z. B. solche, die unter dem Namen Teflon® von DuPont verkauft werden) sein. Wenn
die Schicht 50 eine Polymerschicht mit einer geringen Haftfestigkeit
ist, wird sie vorzugsweise (z. B. mittels Rotationsbeschichtung)
in einer Dicke von mindestens etwa 0,5 μm und bevorzugter
von etwa 1 μm bis etwa 10 μm aufgetragen.
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Die
Verwendung einer Polymerbeschichtung als Schicht 50 bietet
dem Endverbraucher den Vorteil einer kundenspezifischen Anpassung.
Beispielsweise könnte die Schicht 50 mit dem ersten
Substrat 12 eine nichthaftende Grenzfläche oder
eine Grenzfläche mit einer geringen Haftfestigkeit bilden,
um eine leichte Trennung dieses Substrats zu ermöglichen, wenn
der Randbond 46 gebrochen oder entfernt worden ist, während
die Füllschicht 22 fest an dem zweiten Substrat 32 haftet.
Der Vorteil dieser Konfiguration ist, dass die Füllschicht 22 sehr
dick sein kann (bis zu mehreren Hundert Mikrometern) und für eine schnelle
Auflösung in einem reinigenden Lösungsmittel ausgewählt
werden kann, jedoch mit dem ersten Substrat 12 keine nichthaftende
Grenzfläche oder Grenzfläche mit einer geringen
Haftfestigkeit bilden muss, oder die Funktionen der Schichten umgedreht
werden könnten. Die Auftragung der Schicht 50 und
der Füllschicht 22 kann aufeinanderfolgend auf das
erste Substrat 12 erfolgen, oder alternativ können
sie getrennt beschichtet werden, wobei eine der Schichten 50 oder 22 zuerst
auf jedem Substrat platziert wird, und anschließend miteinander
in Kontakt gebracht werden.
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Ungeachtet
der eingesetzten Schicht 50 sollte sie sich mit der Füllschicht 22 nicht
vermischen, sich nicht darin lösen und nicht mit ihr reagieren.
Darüber hinaus sollte sie so ausgewählt werden,
dass sie gleichmäßig und ohne Hohlräume
oder andere Defekte beschichtet.
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Wie
bereits im Fall der vorstehend diskutierten Ausführungsformen
könnten die Substrate 12 und 32 vertauscht
werden, so dass das erste Substrat 12 das Trägersubstrat
wäre und das zweite Substrat 32 der Vorrichtungswafer
wäre. In diesem Fall wird die Vorderseitenoberfläche 14 des
ersten Substrats 12 erneut keine Vorrichtungsoberfläche
sein, sondern wird eher eine Trägeroberfläche
sein. Ferner wird die Oberfläche 34 des zweiten
Substrats 32 keine Trägeroberfläche sein,
sondern wird stattdessen eine Vorrichtungsoberfläche sein.
Diese alternative Anordnung wäre erneut vorteilhaft, weil
die Struktur 48', die in 5 gezeigt
wird, mit dem ersten Substrat 12 hergestellt werden könnte,
das als Trägerwafer bereitgestellt wird. Diese Struktur
könnte anschließend einem Endverbraucher bereitgestellt
werden, der einen Vorrichtungswafer an die Struktur bonden und den
Stapel einer Weiterbearbeitung unterziehen würde. Somit
wäre dem Endverbraucher wie in den vorherigen Ausführungsformen
ein haftbereiter Träger mit zusätzlichem Komfort
verfügbar, da Verfahrensstufen für den Endverbraucher
beseitigt werden.
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Eine
weitere Ausführungsform der Erfindung wird in 6 dargestellt.
In dieser Ausführungsform ist die Struktur 52 der
Struktur 48' ähnlich, die in 5 gezeigt
wird, abgesehen davon, dass die Struktur 52 lediglich das
Substrat 12 und die Schicht 50 enthält.
In dieser Ausführungsform wäre das Substrat 12 vorzugsweise
ein Trägersubstrat wie zum Beispiel solche, die vorstehend
beschrieben sind. Diese Struktur könnte einem Endverbraucher
bereitgestellt werden, der sie dann als Trägersubstrat
verwenden würde, um einen Vorrichtungswafer während der
Bearbeitung zu tragen.
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Letztlich
sind die Materialien, die verwendet werden, um die Füllschicht 22,
den Randbond 46 und die Schicht 50 zu bilden,
vorstehend beschrieben worden. Es wird betont, dass der Mechanismus
zum Verfestigen oder Härten dieser Materialien von üblichen
Durchschnittsfachmännern leicht ausgewählt und
angepasst werden kann. Beispielsweise kann es in einigen Ausführungsformen
wünschenswert sein, zum leichteren Auflösen in
späteren Entfernungs- oder Reinigungsverfahren eine nichthärtende
Zusammensetzung zu verwenden. Für jedes dieser Materialien
wären thermoplastische oder kautschukartige Zusammensetzungen
(typischerweise mit einem gewichtsgemittelten Molekulargewicht von
mindestens etwa 5000 Dalton), harz- oder Rosin-harzartige Zusammensetzungen
(typischerweise mit einem gewichtsgemittelten Molekulargewicht von
weniger als etwa 5000 Dalton) und Mischungen der vorgenannten geeignet.
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In
weiteren Ausführungsformen kann ein thermisch härtbares
Material besser geeignet sein, und somit würde eine Zusammensetzung
ausgewählt, die beim Erhitzen härtet oder vernetzt.
Dies würde die Verwendung eines Vernetzungsmittels und möglicherweise
eines Katalysators in dem System sowie eine Stufe, um die Vernetzung
herbeizuführen, erfordern.
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In
noch einer weiteren Ausführungsform kann ein photohärtbares
System bevorzugt sein. Dies würde die Verwendung eines
freiradikalischen Photoinitiators oder photogenerierten Katalysators
in dem System sowie eine Stufe (z. B. Aussetzung gegenüber
UV-Licht), um eine Härtung herbeizuführen, erfordern.
Dieses System stellt in einigen Fällen einen Vorteil dar,
in denen es als Zusammensetzung mit einem Feststoffgehalt von 100%
eingesetzt werden kann, falls erforderlich.
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Es
wird betont, dass das Vorstehende dazu verwendet werden kann, etliche
integrierte Mikrovorrichtungen herzustellen, die solche einschließen,
die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Silizium-basierten
Halbleitervorrichtungen, Verbindungshalbleiter-basierten Vorrichtungen,
Arrays von eingebetteten passiven Vorrichtungen (z. B. Widerständen,
Kondensatoren, Spulen), MEMS-Geräten, Mikrosensoren, photonischen
Schaltungsvorrichtungen, lichtemittierenden Dioden, Wärmemanagementvorrichtungen
und ebenen Packungssubstraten (z. B. Interposern), an die eine oder
mehrere der vorgenannten Vorrichtungen angebracht worden ist/sind oder
wird/werden.
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Beispiele
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Die
folgenden Beispiele legen bevorzugte Verfahren gemäß der
Erfindung dar. Diese Beispiele werden jedoch selbstverständlich
zur Veranschaulichung bereitgestellt und nichts davon sollte als
Einschränkung des Gesamtumfangs der Erfindung angenommen
werden.
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Beispiel 1
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Haftgebondete Randoberfläche
und chemisch modifizierte Zentrumsoberfläche
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Ein
Epoxidharz-basierter Photoresist (SU-8 2002, Microchem, Newton,
MA) wurde auf die Oberfläche eines 100 mm-Siliziumwafers
(Wafer 1) am äußeren Rand aufgegeben, um einen
Bereich der Waferoberfläche zu beschichten, der etwa 3
bis 5 mm breit war. Ein fluoriertes Silan ((Heptadecafluor-1,1,2,2-tetrahydrodecyl)trichlorsilan)
wurde unter Verwendung von FC-40-Lösungsmittel (Perfluorverbindung
mit hauptsächlich C12, verkauft
unter dem Namen Fluorinert, erhalten von 3M) auf eine 1%ige Lösung
verdünnt. Die Lösung wurde auf die Oberfläche
von Wafer 1 rotationsbeschichtet. Der Wafer 1 wurde auf einer Heizplatte
bei 100°C für 1 Minute gebacken. Er wurde in einem
Spincoater mit FC-40-Lösungsmittel abgespült und
bei 100°C für 1 weitere Minute gebacken. Der Epoxidharz-basierte
Photoresist wurde unter Verwendung von Aceton in einem Spincoater
entfernt, wobei der Rand von der fluorierten Silanlösung
unbehandelt hinterlassen wurde.
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Die
Oberfläche eines weiteren 100 mm-Siliziumwafers (Wafer
2) wurde mit einer Bondzusammensetzung (WaferBOND® HT10.10,
erhältlich von Brewer Science Inc., Rolla, MO) mittels
Rotationsbeschichtung beschichtet. Dieser Wafer wurde bei 110°C
für 2 Minuten gebacken, gefolgt von 160°C für 2
Minuten. Die beschichteten Wafer wurden in einer Anordnung zueinander
von Angesicht zu Angesicht in einer beheizten Vakuum- und Druckkammer
unter Vakuum bei 220°C für 3 Minuten gebondet.
Sie wurden debondet, indem an dem Rand zwischen den beiden Wafern
eine Rasierklinge eingeführt wurde. Nach der Trennung wurde
lediglich ein 3 bis 5 mm breiter Ring der Bondzusammensetzungsbeschichtung
auf den Rand von Wafer 1 übertragen, während der
Rest der Beschichtung auf dem Wafer 2 verblieb.
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Jeder
Wafer könnte in diesem Beispiel als der Vorrichtungswafer
oder der Trägerwafer betrachtet werden.
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Beispiel 2
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Haftgebondete Randoberfläche,
chemisch modifizierte Zentrumsoberfläche und Debonden unter
Verwendung eines Lösungsmittelstrahls am Rand mit einem
Keil
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Ein
Epoxidharz-basierter Photoresist wurde auf die Oberfläche
eines 200 mm-Siliziumwafers (Wafer 1) am äußeren
Rand aufgegeben, um einen Bereich der Waferoberfläche zu
beschichten, der etwa 3 bis 5 mm breit war. Ein fluoriertes Silan ((Heptadecafluor-1,1,2,2-tetrahydrodecyl)trichlorsilan)
wurde unter Verwendung von FC-40-Lösungsmittel auf eine
1%ige Lösung verdünnt. Die Lösung wurde
auf die Oberfläche von Wafer 1 rotationsbeschichtet. Der
Wafer 1 wurde auf einer Heizplatte bei 100°C für
1 Minute gebacken. Er wurde in einem Spincoater mit FC-40-Lösungsmittel
abgespült und bei 100°C für 1 weitere
Minute gebacken. Der Epoxidharz-basierte Photoresist wurde unter
Verwendung von Aceton in einem Spincoater entfernt, wobei der Rand
von der fluorierten Silanlösung unbehandelt hinterlassen
wurde.
-
Die
Oberfläche eines weiteren 200 mm-Siliziumwafers (Wafer
2) wurde mit der Bondzusammensetzung WaferBOND® HT10.10
mittels Rotationsbeschichtung beschichtet. Dieser Wafer wurde bei 110°C
für 2 Minuten und 160°C für 2 Minuten
gebacken. Die beschichteten Wafer wurden in einer Anordnung von
Angesicht zu Angesicht zueinander in einer beheizten Vakuum- und
Druckkammer unter Vakuum bei 220°C für 2 Minuten
gebondet. Die Wafer wurden debondet, indem Dodecen, das Lösungsmittel
in dem WaferBOND® HT10.10, direkt
auf dem Rand der gebondeten Wafer verteilt wurde, um die Bondzusammensetzung
aufzulösen, während die Wafer rotiert wurden,
um den Rand der gebondeten Wafer dem Lösungsmittel auszusetzen.
Nachdem das Lösungsmittel das Material bis etwa 0,5 bis
1 mm von dem Rand aufgelöst hatte, wurde an dem Rand zwischen
den Wafern eine geschärfte runde Platte eingeführt,
während sie nach wie vor rotierten. Dies verursachte ein
Versagen der Bondzusammensetzung am Rand und die Wafer wurden getrennt.
Nach der Trennung wurde lediglich ein 3 bis 5 mm breiter Ring der
HT10.10-Beschichtung auf den Rand von Wafer 1 übertragen,
während der Rest der Beschichtung auf dem Wafer 2 verblieb.
Jeder Wafer könnte in diesem Beispiel als der Vorrichtungswafer
oder der Trägerwafer betrachtet werden.
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Beispiel 3
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Haftgebondete Randoberfläche
und mit Trennungsmaterial beschichtete Zentrumsoberfläche
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Ein
negativer Epoxidharz-basierter Photoresist (verkauft unter dem Namen
SU-8 2010, erhalten von Microchem) wurde auf die Oberfläche
eines 100 mm-Glaswafers rotationsbeschichtet. Der Wafer wurde bei
110°C für 2 Minute gebacken. Eine Teflon® AF-Lösung (Teflon® AF2400 in FC-40, erhalten von DuPont)
wurde über den SU-8 2010 rotationsbeschichtet. Anschließend
wurde das FC-40-Lösungsmittel auf die Oberfläche
des Wafers an dem äußeren Rand aufgegeben, um
einen etwa 3 bis 5 mm breiten Bereich der Teflon® AF-Beschichtung
von der Waferoberfläche zu entfernen. Der Wafer wurde bei 110°C
für 2 Minuten gebacken. Der Wafer wurde in einer Anordnung
von Angesicht zu Angesicht mit einem rohen 100 mm-Siliziumwafer
in einer beheizten Vakuum- und Druckkammer unter Vakuum bei 120°C für
3 Minuten gebondet. Die gebondeten Wafer wurden von der äußeren
Seite des Glaswafers einem Breitband-UV-Licht ausgesetzt. Die Wafer
wurden bei 120°C für 2 Minuten gebacken, um die SU-8-2010-Beschichtung
zu vernetzen. Sie wurden debondet, indem an dem Rand zwischen den
beiden Wafern eine Rasierklinge eingeführt wurde. Nach
der Trennung wies der Siliziumwafer lediglich auf den äußeren
3 bis 5 mm einen Ring mit Material auf, während es keinen
Materialtransfer in das Zentrum gab. Jeder Wafer könnte
in diesem Beispiel als der Vorrichtungswafer oder der Trägerwafer
betrachtet werden.
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Beispiel 4
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Haftgebondete Randoberfläche
und mit Haftverstärker beschichtete Zentrumsoberfläche
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Ein
Silikonacrylatpolymer wurde hergestellt, indem zuerst das Folgende
gemischt wurde, um eine Monomerlösung herzustellen: 624
g Methacryloxypropyltris(trismethylsiloxy)silan, 336 g Glycidylmethacrylat
und 9,6 g Dicumylperoxid. Als nächstes wurden 1430,4 g
1-Butanol einem Reaktionsgefäß zugegeben und in
einer Stunde auf 116°C erhitzt. Die Monomerlösung
wurde über 4 Stunden tropfenweise zugegeben und eine Polymerisation
wurde für 20 Stunden bei 116°C durchgeführt,
um eine Silikonacrylatcopolymerlösung mit einem Feststoffgehalt von
40,4% zu ergeben.
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Die
Copolymerlösung wurde auf die Oberfläche eines
100 mm-Siliziumwafers (Wafer 1) rotationsbeschichtet. Anschließend
wurde 1-Butanol auf die Oberfläche des Wafers an dem äußeren
Rand aufgegeben, um einen etwa 3 bis 5 mm breiten Bereich der Silikonacrylatcopolymerbeschichtung
von der Waferoberfläche zu entfernen. Der Wafer wurde auf
einer Heizplatte bei 110°C für 2 Minuten gebacken.
Die Oberfläche eines weiteren 100 mm-Siliziumwafers (Wafer
2) wurde mit der Waferbondzusammensetzung WaferBOND® HT10.10
von Brewer Science mittels Rotationsbeschichtung beschichtet. Dieser
Wafer wurde anschließend bei 110°C für
2 Minuten und 160°C für 2 Minuten gebacken. Die
beschichteten Wafer wurden in einer Anordnung von Angesicht zu Angesicht
zueinander in einer beheizten Vakuum- und Druckkammer unter Vakuum
bei 220°C für 3 Minuten gebondet. Sie wurden debondet,
indem an dem Rand zwischen den beiden Wafern eine Rasierklinge eingeführt
wurde. Nach der Trennung verblieb lediglich ein 3 bis 5 mm breiter
Ring der HT10.10-Beschichtung auf dem Rand von Wafer 2, während
der Rest der Beschichtung sauber auf den Wafer 1 übertragen
wurde. Jeder Wafer könnte in diesem Beispiel als der Vorrichtungswafer
oder der Trägerwafer betrachtet werden.
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Beispiel 5
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Haftgebondete Randoberfläche
und Zentrumsoberfläche, die mit Material mit geringer Haftung
gegenüber jedem Substrat gefüllt ist
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Die
in Beispiel 3 verwendete Teflon® AF-Lösung
wurde auf die Oberfläche eines 100 mm-Siliziumwafers (Wafer
1) rotationsbeschichtet. Anschließend wurde das FC-40-Lösungsmittel
auf die Oberfläche des Wafers an dem äußeren
Rand aufgegeben, um einen etwa 3 bis 5 mm breiten Bereich der Teflon® AF-Beschichtung von der Waferoberfläche
zu entfernen. Der Wafer wurde bei 110°C für 2
Minuten gebacken. Der Rand des Wafers wurde mit WaferBOND® HT10.10-Bondzusammensetzung mittels Rotationsbeschichtung
beschichtet, wobei das Material lediglich am Rand aufgebracht wurde.
Der Wafer wurde in einer Anordnung von Angesicht zu Angesicht mit
einem rohen 100 mm-Siliziumwafer (Wafer 2) in einer beheizten Vakuum-
und Druckkammer unter Vakuum bei 220°C für 2 Minuten
gebondet. Die Wafer wurden debondet, indem an dem Rand zwischen
den beiden Wafern eine Rasierklinge eingeführt wurde. Nach
der Trennung wies der Wafer 2 lediglich an den äußeren
3 bis 5 mm einen Ring des Bondmaterials auf, während es
keinen Materialtransfer in das Zentrum gab. Jeder Wafer könnte
in diesem Beispiel als der Vorrichtungswafer oder der Trägerwafer
betrachtet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - ASTM D4541/D7234 [0035]
- - Dalvi-Malhotra et al., „Use of silane-based primer
on Silicon wafers to enhance adhesion of edgeprotective coatings
during wet etching: Application of the TALON WrapTM process,” Proceedings
of SPIE, Vol. 6462, 2007, Seiten 64620B-1 bis 64620B-7 [0041]