JP2015138976A - System and method for holding substrate - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an industrial-scale device for holding and supporting wafers during processing, while maintaining the concentrical and rotational alignment of the wafers and preventing fracture, surface damage or warping of the wafers.SOLUTION: A system for mechanically holding a substrate during processing includes: a closeable wafer bonding chamber 210; and an upper block assembly 220 located inside the processing chamber and holding a wafer via three mechanical holding assemblies 110A-110C. The three mechanical holding assemblies protrude above a cover 225 of the wafer processing chamber, hold the wafer at a wafer edge and are adjusted from outside of the processing chamber. Two of the mechanical holding assemblies are lockable in a predetermined position relative to the wafer edge, and one of the mechanical holding assemblies maintains preload holding on the wafer edge via a preload mechanism.

Description

本発明は、基板保持のシステム及び方法に関し、より詳細には、基板の同心回転位置合わせを維持しながら、処理中に基板を機械的に保持するシステム及び方法に関する。   The present invention relates to a substrate holding system and method, and more particularly to a system and method for mechanically holding a substrate during processing while maintaining concentric rotational alignment of the substrate.

［関連する同時係属出願の相互参照］
本出願は、２０１４年１月２０日に出願され、「SYSTEMAND METHOD FOR SUBSTRATE HOLDING」と題する米国仮特許出願第６１／９２９１９２号の利益を主張し、その内容は引用することにより明確に本明細書の一部をなす。 [Cross-reference of related copending applications]
This application claims the benefit of US Provisional Patent Application No. 61 / 929,192, filed January 20, 2014, entitled “SYSTEMAND METHOD FOR SUBSTRATE HOLDING”, the contents of which are expressly incorporated herein by reference. Part of

本出願は、２０１０年４月１５日に出願され、「DEVICEFOR CENTERING WAFERS」と題する米国特許出願第１２／７６１０４４号の一部継続出願であり、その内容は引用することにより明確に本明細書の一部をなす。   This application is a continuation-in-part of US patent application Ser. No. 12/761044 filed Apr. 15, 2010 and entitled “DEVICEFOR CENTERING WAFERS”, the contents of which are expressly incorporated herein by reference. Part of it.

幾つかのウェハー接合プロセスでは、２つ以上の位置合わせされたウェハーが互いに対向して保持され、次いで、互いに接触される。同様に、幾つかの化学的又は機械的な半導体プロセスでは、ウェハーは、処理が行われている間、所定の位置に保持される。これらの半導体ウェハープロセスのうちの幾つかは、ウェハー薄化ステップを含む。特に、幾つかの用途の場合、ウェハーは、集積回路（ＩＣ）デバイスの製作、又は３Ｄ集積接合及びウェハー貫通ビアの製作のために１００マイクロメートル未満の厚さにまで薄化される。   In some wafer bonding processes, two or more aligned wafers are held against each other and then contacted with each other. Similarly, in some chemical or mechanical semiconductor processes, the wafer is held in place during processing. Some of these semiconductor wafer processes include a wafer thinning step. In particular, for some applications, the wafer is thinned to a thickness of less than 100 micrometers for integrated circuit (IC) device fabrication, or 3D integrated bonding and through-wafer via fabrication.

２００マイクロメートルよりも厚いウェハーの場合、ウェハーは通常、真空チャック又は幾つかの他の機械的な取付手段を利用する固定具を用いて適所に保持される。しかしながら、２００マイクロメートルよりも薄いウェハー、特に１００マイクロメートルよりも薄いウェハーの場合、ウェハーを機械的に保持すること、並びに、処理中にウェハーの位置合わせ、平坦性及び完全性の制御を維持することが益々困難になる。これらの事例では、実際には、処理中にウェハーが微小破壊を引き起こすこと及び壊れることが起こりがちである。薄化プロセス中にウェハーを機械的に保持する一代替形態は、デバイスウェハー（すなわち、デバイスに加工されるウェハー）の第１の表面をキャリアウェハー上に取り付けることと、露出した反対側のデバイスウェハー表面を薄化することとを含む。キャリアウェハーとデバイスウェハーとの間の接合は仮であり、薄化処理ステップ及び他の任意の処理ステップの終了時に除去される。デバイスウェハー及びキャリアウェハーの一時的な接合対は、薄化プロセス中、機械的に保持される。   For wafers thicker than 200 micrometers, the wafer is typically held in place using a fixture that utilizes a vacuum chuck or some other mechanical attachment means. However, for wafers thinner than 200 micrometers, especially wafers thinner than 100 micrometers, holding the wafer mechanically and maintaining control of wafer alignment, flatness and integrity during processing. It becomes increasingly difficult. In these cases, in practice, the wafer tends to cause and break during processing. One alternative to mechanically holding the wafer during the thinning process is to mount a first surface of a device wafer (ie, a wafer to be processed into a device) on a carrier wafer and an exposed opposite device wafer Thinning the surface. The bond between the carrier wafer and the device wafer is temporary and is removed at the end of the thinning process step and any other processing steps. The temporary bonded pair of device wafer and carrier wafer is held mechanically during the thinning process.

処理中のウェハーの機械的保持の一代替形態は、静電力を用いてウェハーを保持する静電チャック（ｅチャック）を用いることを必要とする。しかしながら、ｅチャックは、通常、高価で複雑なデバイスであり、高電圧源及び高電圧ケーブルを必要とする。さらに、ｅチャックは、通常、ガラス基板を保持することに適用可能ではない。   An alternative form of mechanical holding of the wafer during processing requires the use of an electrostatic chuck (e-chuck) that holds the wafer using electrostatic forces. However, e-chucks are typically expensive and complex devices that require high voltage sources and high voltage cables. Furthermore, e-chucks are usually not applicable to holding glass substrates.

上述したウェハー保持機構の重要な側面は、保持されるウェハーの互いに対する位置決め及び位置合わせを必要とする。ウェハーの同心回転位置合わせを維持し、ウェハーの破損、表面損傷、又は反りを防止しながら、処理中にウェハーを保持及び支持する工業規模のデバイスを提供することが望まれている。   An important aspect of the wafer holding mechanism described above requires the positioning and alignment of the held wafers with respect to each other. It would be desirable to provide an industrial scale device that holds and supports a wafer during processing while maintaining concentric rotational alignment of the wafer and preventing wafer breakage, surface damage, or warping.

本発明は、基板の同心回転位置合わせを維持しながら、処理中に基板を機械的に保持するシステム及び方法を提供する。   The present invention provides a system and method for mechanically holding a substrate during processing while maintaining concentric rotational alignment of the substrate.

一般に、１つの態様では、本発明は、閉鎖可能な処理チャンバーと、この処理チャンバーの内部に位置し、３つの機械式保持アセンブリを介してウェハーを保持するように構成された上部ブロックアセンブリとを備えるウェハー処理システムを特徴とする。３つの機械式保持アセンブリは、ウェハー処理チャンバーのカバーよりも上方に突出し、ウェハーの縁部においてウェハーを保持するとともに処理チャンバーの外部から調整されるように構成されている。機械式保持アセンブリのうちの２つは、ウェハーの縁部に対して所定の位置にロック可能であり、機械式保持アセンブリのうちの１つは、プリロード機構を介してウェハーの縁部上でのプリロード保持（hold preload）を維持するように構成されている。   In general, in one aspect, the invention comprises a closable processing chamber and an upper block assembly positioned within the processing chamber and configured to hold a wafer via three mechanical holding assemblies. Featuring a wafer processing system. The three mechanical holding assemblies protrude above the cover of the wafer processing chamber and are configured to hold the wafer at the edge of the wafer and to be adjusted from the outside of the processing chamber. Two of the mechanical holding assemblies can be locked in place relative to the edge of the wafer, and one of the mechanical holding assemblies can be mounted on the edge of the wafer via a preload mechanism. It is configured to maintain a hold preload.

本発明のこの態様の実施態様は、以下の特徴のうちの１つ又は複数を含むことができる。前記各機械式保持アセンブリは、フラグ及び枢動駆動アームを備え、前記フラグは、駆動機構を介して前記ウェハーの縁部に接触するように半径方向に駆動される。ロック可能な２つの前記機械式保持アセンブリのそれぞれでは、前記フラグの遠位縁部は、前記ウェハーの縁部に接触するように構成され、前記枢動駆動アームは、横に移動して、前記フラグの近位端部の側面に形成されたスロットをピンと係合させるように構成されている。プリロード保持を維持する前記機械式保持アセンブリでは、前記プリロード機構は、高温耐熱ベアリングガイド式リニアスライドを備える。前記各機械式保持アセンブリ内の前記駆動機構は、空気圧駆動ピストン及び駆動アームを備え、前記空気圧駆動ピストンは、前記駆動アームに接続され、該駆動アームを駆動するように構成され、前記駆動アームは、シャフト及び前記枢動駆動アームを介して前記フラグに接続されている。ロック可能な２つの前記機械式保持アセンブリのそれぞれでは、前記駆動機構は、可撓性ブレーキアームを駆動するように構成されたブレーキシリンダーを更に備え、前記可撓性ブレーキアームは、ブレーキング動作を、前記シャフトを介して前記枢動駆動アームに伝達するように構成されている。前記可撓性ブレーキアームは、面内では硬質であるとともに面外では可撓性であるフレクチャタイプの材料を含む。前記フラグは、プレート形状であり、前記上部ブロックアセンブリに備えられたチャックによって支持され、該チャックの外側縁部から前記ウェハーの縁部までの距離に及ぶように寸法決めされた長さを有する。前記フラグの遠位縁部は、段部を備える。前記フラグの遠位縁部は、曲線状である。前記フラグの前記遠位縁部は、前記ウェハーの縁部の曲率と一致し、これを補間する曲率を有する。前記フラグの前記遠位縁部は、前記ウェハーの縁部の完全性を保護し、前記フラグの前記遠位縁部が前記ウェハーの縁部に接触したときに制動を提供し、前記フラグの前記遠位縁部と前記ウェハーの縁部との間に確実な保持摩擦を提供するように構成された保護コーティングを備える。前記保護コーティングは、高温耐熱ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）コーティング、ポリイミドコーティング、又はテフロン登録商標コーティングから作成される。前記フラグの遠位縁部の側面プロファイルは、直線状、角度付き又は曲線状である。 Implementations of this aspect of the invention may include one or more of the following features. Each mechanical holding assembly includes a flag and a pivot drive arm, and the flag is driven radially through the drive mechanism to contact the edge of the wafer. In each of the two lockable mechanical retention assemblies, the distal edge of the flag is configured to contact the edge of the wafer, and the pivot drive arm moves laterally to A slot formed in the side of the proximal end of the flag is configured to engage the pin. In the mechanical holding assembly that maintains preload holding, the preload mechanism comprises a high temperature heat resistant bearing guide type linear slide. The drive mechanism in each mechanical holding assembly includes a pneumatic drive piston and a drive arm, the pneumatic drive piston is connected to and configured to drive the drive arm, the drive arm being , Connected to the flag via a shaft and the pivot drive arm. In each of the two lockable mechanical holding assemblies, the drive mechanism further comprises a brake cylinder configured to drive a flexible brake arm, the flexible brake arm having a braking action. , Configured to transmit to the pivot drive arm via the shaft. The flexible brake arm includes a flexure-type material that is rigid in-plane and flexible in-plane. The flag is plate-shaped and is supported by a chuck provided in the upper block assembly and has a length dimensioned to span the distance from the outer edge of the chuck to the edge of the wafer. The distal edge of the flag comprises a step. The distal edge of the flag is curved. The distal edge of the flag has a curvature that matches and interpolates the curvature of the edge of the wafer. The distal edge of the flag protects the integrity of the edge of the wafer and provides braking when the distal edge of the flag contacts the edge of the wafer; A protective coating configured to provide positive holding friction between the distal edge and the edge of the wafer. The protective coating is made from a high temperature heat resistant polyetheretherketone (PEEK) coating, a polyimide coating, or a Teflon registered coating. The side profile of the distal edge of the flag is straight, angled or curved.

一般に、別の態様では、本発明は、ウェハーの縁部において該ウェハーを保持するように構成された３つの機械式保持アセンブリを備えるウェハー保持システムを特徴とする。前記機械式保持アセンブリのうちの２つは、前記ウェハーの縁部に対して所定の位置にロック可能であり、前記機械式保持アセンブリのうちの１つは、プリロード機構を介して前記ウェハーの縁部においてプリロード保持を維持するように構成されている。   In general, in another aspect, the invention features a wafer holding system comprising three mechanical holding assemblies configured to hold the wafer at the edge of the wafer. Two of the mechanical holding assemblies are lockable in place with respect to the edge of the wafer, and one of the mechanical holding assemblies is connected to the edge of the wafer via a preload mechanism. The unit is configured to maintain preload retention.

本システムは、真空において基板を保持すること、及び重力を受ける基板を保持することに用いることができる。本システムは、デバイスウェハーの処理中に、一時的な接合ウェハーの対を保持することにも適用可能である。   The system can be used to hold a substrate in a vacuum and to hold a substrate that is subject to gravity. The system can also be applied to hold a temporary bonded wafer pair during device wafer processing.

本発明の１つ又は複数の実施形態の詳細が、添付図面及び以下の説明に示されている。本発明の他の特徴、目的、及び利点は、好ましい実施形態の以下の説明、図面、及び特許請求の範囲から明らかになる。   The details of one or more embodiments of the invention are set forth in the accompanying drawings and the description below. Other features, objects, and advantages of the invention will be apparent from the following description of the preferred embodiments, the drawings, and the claims.

図面を参照すると、幾つかの図を通して、類似の符号は類似の部品を表す。   Referring to the drawings, like numerals represent like parts throughout the several views.

本発明によるウェハー接合装置モジュールの斜視図である。1 is a perspective view of a wafer bonding apparatus module according to the present invention. Ｘ−Ｘ’面に沿った図１Ａのウェハー接合装置モジュールの断面図である。1B is a cross-sectional view of the wafer bonding apparatus module of FIG. 1A along the X-X ′ plane. FIG. Ｙ−Ｙ’面に沿った図１Ａのウェハー接合装置モジュールの断面図である。1B is a cross-sectional view of the wafer bonding apparatus module of FIG. 1A along the Y-Y ′ plane. FIG. 図１Ｂのウェハー接合装置モジュールのエリアＡ内の上部ブロックアセンブリ（又はチャンバー蓋）の詳細断面図である。1B is a detailed cross-sectional view of the upper block assembly (or chamber lid) in area A of the wafer bonding apparatus module of FIG. 1B. FIG. 図１Ａのウェハー接合装置モジュールの概略図である。1B is a schematic view of the wafer bonding apparatus module of FIG. 1A. FIG. 本発明による閉じた構成のウェハー接合装置システムの斜視図である。1 is a perspective view of a wafer bonding apparatus system in a closed configuration according to the present invention. FIG. 図２の開いた構成のウェハー接合装置システムの斜視図である。FIG. 3 is a perspective view of the wafer bonding apparatus system in the open configuration of FIG. 2. ２００ｍｍの直径を有するウェハーを保持する図２のウェハー接合装置モジュールの上部ブロックアセンブリ（又はチャンバー蓋）を示す図である。FIG. 3 shows the upper block assembly (or chamber lid) of the wafer bonder module of FIG. 2 holding a wafer having a diameter of 200 mm. ３００ｍｍの直径を有するウェハーを保持する図２のウェハー接合装置モジュールの上部ブロックアセンブリ（又はチャンバー蓋）を示す図である。FIG. 3 shows the upper block assembly (or chamber lid) of the wafer bonder module of FIG. 2 holding a wafer having a diameter of 300 mm. ２００ｍｍの直径を有するウェハーを保持する図２のウェハー接合装置モジュールの上部ブロックアセンブリ（又はチャンバー蓋）の斜視図である。FIG. 3 is a perspective view of the upper block assembly (or chamber lid) of the wafer bonding apparatus module of FIG. 2 holding a wafer having a diameter of 200 mm. 図５Ａの上部ブロックアセンブリ（又はチャンバー蓋）のエリアＢの拡大詳細断面図である。FIG. 5B is an enlarged detailed cross-sectional view of area B of the upper block assembly (or chamber lid) of FIG. 5A. Ｘ−Ｘ’面に沿った図２のウェハー接合装置モジュールの拡大断面図である。FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of the wafer bonding apparatus module of FIG. 2 along the X-X ′ plane. 図５Ｃのウェハー接合装置モジュールのエリアＣの拡大詳細図である。5B is an enlarged detail view of area C of the wafer bonding apparatus module of FIG. 5C. FIG. 図６Ｃ〜Ｄは、図６Ａにおけるフラグ１１２の代替の端面プロファイルを示す図である。6C-D are diagrams showing alternative end face profiles of the flag 112 in FIG. 6A. 図４Ａのウェハー保持アセンブリ１１０Ａの拡大底面図である。FIG. 4B is an enlarged bottom view of the wafer holding assembly 110A of FIG. 4A. 図４Ｂのウェハー保持アセンブリ１１０Ａの拡大底面図である。FIG. 4B is an enlarged bottom view of the wafer holding assembly 110A of FIG. 4B. 図４Ａのウェハー保持アセンブリ１１０Ａのフラグ駆動機構の拡大上面図である。FIG. 4B is an enlarged top view of the flag driving mechanism of the wafer holding assembly 110A of FIG. 4A. 図８Ａのフラグ駆動機構の断面図である。It is sectional drawing of the flag drive mechanism of FIG. 8A. 図８Ａのフラグ駆動機構の下断面図である。FIG. 8B is a lower cross-sectional view of the flag driving mechanism of FIG. 8A. 図８Ｂのフラグ駆動機構の拡大断面図である。It is an expanded sectional view of the flag drive mechanism of FIG. 8B.

本発明は、基板の同心回転位置合わせを維持しながら、処理中に基板を機械的に保持するシステム及び方法を提供する。   The present invention provides a system and method for mechanically holding a substrate during processing while maintaining concentric rotational alignment of the substrate.

図１Ａ〜図１Ｅを参照すると、通常のウェハー接合モジュール２１０は、ロード（load：装填）ドア２１１を有するハウジング２１２と、上部ブロックアセンブリ２２０と、対向する下部ブロックアセンブリ２３０とを備える。上部ブロックアセンブリ２２０及び下部ブロックアセンブリ２３０は、４本のＺガイド支柱２４２に移動可能に接続されている。他の実施形態では、４本未満又は４本よりも多くのＺガイド支柱が用いられる。上部ブロックアセンブリ２２０と下部ブロックアセンブリ２３０との間には、テレスコープ式カーテンシール２３５が配置されている。上部アセンブリ２２０及び下部アセンブリ２３０とテレスコープ式カーテンシール２３５との間には、接合チャンバー２０２が形成されている。カーテンシール２３５は、接合チャンバーエリア２０２の外部にあるプロセス構成要素の多くをプロセスチャンバーの温度、圧力、真空、及び大気から隔離した状態に保つ。チャンバーエリア２０２の外部のプロセス構成要素には、特に、ガイド支柱２４２、Ｚ軸ドライブ２４３、照明源、機械式プリアライメントアーム、及びウェハーセンタリングジョーが含まれる。カーテン２３５は、任意の半径方向からの接合チャンバー２０２へのアクセスも提供する。通常のウェハー接合モジュール２１０のより詳細な説明は、「DEVICE FOR CENTERING WAFERS」と題する米国特許出願公開第２０１０／０２６６３７３号（米国特許第８，７６４，０２６号）に提示されている。この米国特許出願公開の内容は、引用することによって明示的に本明細書の一部をなす。   Referring to FIGS. 1A to 1E, a typical wafer bonding module 210 includes a housing 212 having a load door 211, an upper block assembly 220, and an opposed lower block assembly 230. The upper block assembly 220 and the lower block assembly 230 are movably connected to the four Z guide columns 242. In other embodiments, less than four or more than four Z guide posts are used. A telescopic curtain seal 235 is disposed between the upper block assembly 220 and the lower block assembly 230. A bonding chamber 202 is formed between the upper assembly 220 and the lower assembly 230 and the telescopic curtain seal 235. The curtain seal 235 keeps many of the process components outside the bonding chamber area 202 isolated from the process chamber temperature, pressure, vacuum, and atmosphere. Process components outside the chamber area 202 include, among other things, a guide post 242, a Z-axis drive 243, an illumination source, a mechanical pre-alignment arm, and a wafer centering jaw. The curtain 235 also provides access to the bonding chamber 202 from any radial direction. A more detailed description of a typical wafer bonding module 210 is presented in US Patent Application Publication No. 2010/0266373 (US Pat. No. 8,764,026) entitled “DEVICE FOR CENTERING WAFERS”. The contents of this US patent application publication are expressly incorporated herein by reference.

図１Ｂを参照すると、下部ブロックアセンブリ２３０は、ウェハー２０を支持するヒータープレート２３２と、隔離層２３６と、水冷式支持フランジ２３７と、移動ピンステージ２３８と、Ｚ軸ブロック２３９とを備える。ヒータープレート２３２は、セラミックプレートであり、抵抗ヒーター素子及び一体式空冷を備える。これらのヒーター素子は、主要ゾーンすなわち中心ゾーンと縁部ゾーンとの２つの異なる加熱ゾーンが形成されるように配置されている。これらの２つの加熱ゾーンは、ヒータープレート２３２の温度が一様となるように制御される。ヒータープレート２３２は、２００ｍｍ及び３００ｍｍのウェハーをそれぞれ保持する２つの異なる真空ゾーンも備える。水冷式熱隔離支持フランジ２３７は、隔離層２３６によってヒータープレートから分離されている。移動ピンステージ２３８は、下部ブロックアセンブリ２３０の下方に配置され、４本の支柱２４２によって移動可能に（movably）支持されている。移動ピンステージ２３８は、種々のサイズのウェハーを上昇又は下降させることができるように配置された移動ピン２４０を支持している。１つの例では、移動ピン２４０は、２００ｍｍ及び３００ｍｍのウェハーを上昇又は下降させることができるように配置されている。移動ピン２４０は、直線シャフトであり、幾つかの実施形態では、それらの中心を通って延在する真空供給開口部を有する。移動ピン開口部を通って引き込まれる真空によって、支持されたウェハーは、移動中に移動ピン上の所定の位置に保持され、ウェハーの位置合わせ不良が防止される。Ｚ軸ブロック２３９は、図１Ｃに示すように、ボールねじ及び直線カム設計を有する精密Ｚ軸ドライブ２４３と、サブミクロン位置制御用のリニアエンコーダーフィードバック２４４と、ギアボックスを有するサーボモーター２４６とを備える。   Referring to FIG. 1B, the lower block assembly 230 includes a heater plate 232 that supports the wafer 20, an isolation layer 236, a water-cooled support flange 237, a moving pin stage 238, and a Z-axis block 239. The heater plate 232 is a ceramic plate and includes a resistance heater element and integral air cooling. These heater elements are arranged such that two different heating zones are formed, the main zone, ie the central zone and the edge zone. These two heating zones are controlled so that the temperature of the heater plate 232 is uniform. The heater plate 232 also includes two different vacuum zones that hold 200 mm and 300 mm wafers, respectively. The water cooled thermal isolation support flange 237 is separated from the heater plate by an isolation layer 236. The moving pin stage 238 is disposed below the lower block assembly 230 and is movably supported by the four columns 242. The moving pin stage 238 supports moving pins 240 arranged so that wafers of various sizes can be raised or lowered. In one example, the movement pins 240 are arranged so that 200 mm and 300 mm wafers can be raised or lowered. The transfer pins 240 are linear shafts, and in some embodiments have vacuum supply openings that extend through their centers. Due to the vacuum drawn through the moving pin openings, the supported wafer is held in place on the moving pins during movement, preventing misalignment of the wafer. The Z-axis block 239 includes a precision Z-axis drive 243 having a ball screw and linear cam design, a linear encoder feedback 244 for sub-micron position control, and a servo motor 246 having a gear box, as shown in FIG. 1C. .

図１Ｄを参照すると、上部ブロックアセンブリ２２０は、上部セラミックチャック２２２と、カーテン２３５がシール素子２３５ａを用いてシールする頂部スタティックチャンバー壁２２１と、２００ｍｍ膜層２２４ａと、３００ｍｍ膜層２２４ｂとを備える。膜層２２４ａ、２２４ｂは、上部チャック２２２と頂部ハウジング壁２１３との間に、それぞれクランプ２１５ａ、２１５ｂを用いてクランプされ、２００ｍｍウェハー及び３００ｍｍウェハーをそれぞれ保持するように設計された２つの別々の真空ゾーンを形成する。膜層２２４ａ、２２４ｂは、エラストマー材料又は金属ベローズから作製されている。上部セラミックチャック２２２は、非常に平坦で薄い。この上部セラミックチャックは、低質量を有し、ウェハー２０、３０に対して一様な圧力を印加するためにセミコンプライアント（semi-compliant：半柔軟）である。上部チャック２２２は、３つの調整可能なレベリングクランプ／駆動アセンブリ２１６に対して膜圧を用いて軽くプリロードされる。クランプ／駆動アセンブリ２１６は、１２０度の円形に配置される。上部チャック２２２は、最初に、下部セラミックヒータープレート２３２に接触している間に水平にされ、そのため、ヒータープレート２３２と平行になる。クランプ／駆動アセンブリ２１６は、セラミックチャック２２２を、支持されたウェハーの中心に対応する中心点の回りに並進させることなく回転及び／又は傾斜させる球形ウェッジエラー補償（ＷＥＣ）機構も提供する。他の実施形態では、上部セラミックチャック２２２の位置決めは、当該チャック２２２が結合される固定された水平化／位置付けピンを用いて行われる。   Referring to FIG. 1D, the upper block assembly 220 includes an upper ceramic chuck 222, a top static chamber wall 221 that the curtain 235 seals using a sealing element 235a, a 200 mm membrane layer 224a, and a 300 mm membrane layer 224b. The membrane layers 224a, 224b are clamped between the upper chuck 222 and the top housing wall 213 using clamps 215a, 215b, respectively, and two separate vacuums designed to hold 200 mm wafers and 300 mm wafers, respectively. Create a zone. The membrane layers 224a, 224b are made from an elastomeric material or a metal bellows. The upper ceramic chuck 222 is very flat and thin. The upper ceramic chuck has a low mass and is semi-compliant to apply a uniform pressure to the wafers 20,30. Upper chuck 222 is lightly preloaded using membrane pressure against three adjustable leveling clamp / drive assemblies 216. The clamp / drive assembly 216 is arranged in a 120 degree circle. The upper chuck 222 is initially leveled while in contact with the lower ceramic heater plate 232, and is therefore parallel to the heater plate 232. The clamp / drive assembly 216 also provides a spherical wedge error compensation (WEC) mechanism that rotates and / or tilts the ceramic chuck 222 without translation about a center point corresponding to the center of the supported wafer. In other embodiments, the upper ceramic chuck 222 is positioned using a fixed leveling / positioning pin to which the chuck 222 is coupled.

図２及び図３を参照すると、改良型ウェハー接合システム１００は、改良型ウェハーチャンバー２１０及び電子機器ユニット２５０を備える。ウェハー接合チャンバー２１０は、上部ブロックアセンブリ２２０を備えるヒンジ付きカバー２２５を備える。この実施形態では、ウェハー３０は、３つの機械式保持アセンブリ１１０Ａ、１１０Ｂ、及び１１０Ｃを介して上部チャック２２２上に支持される。機械式保持アセンブリ１１０Ａ、１１０Ｂ、及び１１０Ｃは、カバー２２５よりも上方に突出している。   2 and 3, the improved wafer bonding system 100 includes an improved wafer chamber 210 and an electronics unit 250. The wafer bonding chamber 210 includes a hinged cover 225 that includes an upper block assembly 220. In this embodiment, the wafer 30 is supported on the upper chuck 222 via three mechanical holding assemblies 110A, 110B, and 110C. The mechanical holding assemblies 110A, 110B, and 110C protrude above the cover 225.

図４Ａ〜図８Ｄを参照すると、各機械式保持アセンブリは、フラグ１１２及び枢動駆動アーム１１４を備える。フラグ１１２は、駆動機構１５０を用いて上部ウェハー３０の縁部３０ａに接触するように半径方向に駆動される。保持アセンブリのうちの２つ１１０Ａ、１１０Ｃでは、フラグ１１２の遠位縁部１１３がウェハー３０ａの縁部に接触すると、枢動駆動アーム１１４は、横に移動して、図５Ｂ及び図７Ａに示すように、フラグ１１２の近位端部１１８の側面１１８ａ上に形成されたスロット１１７をピン１１９と係合させる。枢動アームピン１１９とフラグスロット１１７との係合によって、保持アセンブリ１１０Ａ及び１１０Ｃにおいて、フラグ１１２の位置がウェハーの縁部３０ａに対してロックされる。保持アセンブリ１１０Ｂでは、フラグ１１２は、図８Ｄに示す空気圧又はばねで駆動されるプリロード機構１６０を用いてプリロード保持を維持する。１つの例では、このプリロード機構は、図７Ａに示す高温耐熱ベアリングガイド式リニアスライド１１６を備える。   With reference to FIGS. 4A-8D, each mechanical retention assembly includes a flag 112 and a pivot drive arm 114. The flag 112 is driven in the radial direction so as to contact the edge 30 a of the upper wafer 30 using the driving mechanism 150. In two of the holding assemblies 110A, 110C, when the distal edge 113 of the flag 112 contacts the edge of the wafer 30a, the pivot drive arm 114 moves sideways and is shown in FIGS. 5B and 7A. Thus, the slot 117 formed on the side surface 118 a of the proximal end 118 of the flag 112 is engaged with the pin 119. Engagement of the pivot arm pin 119 and flag slot 117 locks the position of the flag 112 relative to the wafer edge 30a in the holding assemblies 110A and 110C. In the retention assembly 110B, the flag 112 maintains preload retention using a pneumatic or spring driven preload mechanism 160 shown in FIG. 8D. In one example, the preload mechanism includes a high temperature heat resistant bearing guide type linear slide 116 shown in FIG. 7A.

図８Ａ〜図８Ｄを参照すると、保持アセンブリ１１０Ａ、１１０Ｂ、１１０Ｃのそれぞれの駆動機構１５０は、空気圧駆動ピストン１５２及び駆動アーム１５４を備える。空気圧駆動ピストン１５２は、駆動アーム１５４の第１の端部に接続された端部を有するシリンダー１５２ａを備え、駆動アーム１５４の動作をガイドするように構成されている。駆動アーム１５４は、図８Ｂ及び図８Ｄに示すように、シャフト１５５及び枢動駆動アーム１１４を介してフラグ１１２に接続するように構成された第２の端部を有する。ピストン１５２、駆動アーム１５４、及びシャフト１５５は、フラグ１１２の半径方向の動作を駆動及びガイドする。シャフト１５５の動作は、図８Ｄに示すハウジング１６２内に収容されたボールベアリング１５９ａ、１５９ｂによってガイドされる。ハウジング１６２は、これも同様に図８Ｄに示すＯリングシール１６１ａ、１６１ｂを用いて上部ブロックアセンブリ２２０内にシールされている。   Referring to FIGS. 8A-8D, each drive mechanism 150 of the retaining assemblies 110A, 110B, 110C includes a pneumatic drive piston 152 and a drive arm 154. The pneumatic drive piston 152 includes a cylinder 152 a having an end connected to the first end of the drive arm 154 and is configured to guide the operation of the drive arm 154. The drive arm 154 has a second end configured to connect to the flag 112 via the shaft 155 and the pivot drive arm 114 as shown in FIGS. 8B and 8D. Piston 152, drive arm 154, and shaft 155 drive and guide the radial motion of flag 112. The operation of the shaft 155 is guided by ball bearings 159a and 159b housed in the housing 162 shown in FIG. 8D. The housing 162 is similarly sealed within the upper block assembly 220 using O-ring seals 161a, 161b shown in FIG. 8D.

２つの保持アセンブリ１１０Ａ、１１０Ｃのそれぞれにおける駆動機構１５０は、可撓性ブレーキアーム１５７を駆動するブレーキシリンダー１５６も備える。可撓性ブレーキアーム１５７は、ブレーキング動作を、上記同様にシャフト１５５を介して枢動駆動アーム１１４に伝達する。可撓性ブレーキアーム１５７は、面内剛性を有し、枢動駆動アーム１１４の確実なロックを提供するフレクチャタイプの材料から作製される。可撓性ブレーキアーム１５７は、面内方向（ブレーキアーム１５７のｘ−ｙ平面）では硬質であり、面外方向（Ｚ軸１６５）では可撓性である。   The drive mechanism 150 in each of the two holding assemblies 110A, 110C also includes a brake cylinder 156 that drives the flexible brake arm 157. The flexible brake arm 157 transmits the braking operation to the pivot drive arm 114 via the shaft 155 as described above. The flexible brake arm 157 is made of a flexure-type material that has in-plane rigidity and provides a positive lock of the pivot drive arm 114. The flexible brake arm 157 is hard in the in-plane direction (xy plane of the brake arm 157) and is flexible in the out-of-plane direction (Z axis 165).

動作時、ウェハー３０は、２０１０年４月１５日に出願され、「DEVICE FOR CENTERING WAFERS」と題する米国特許出願第１２７６１０４４号に記載されているようなセンタリングステーションを用いてセンタリングされる。この米国特許出願の内容は、引用することによって明示的に本明細書の一部をなす。代替的に、ウェハー３０は、精密なロボットウェハー配置を介してセンタリングされる。センタリングされたウェハー３０は、頂部チャック２２２に移動され、最初に真空を用いて保持される。代替的に、センタリングされたウェハーは、静電チャック又は真空力及び静電力の組み合わせを介して保持することができる。   In operation, the wafer 30 is centered using a centering station such as that described in US Patent Application No. 1,276,104 filed April 15, 2010 and entitled “DEVICE FOR CENTERING WAFERS”. The contents of this US patent application are expressly incorporated herein by reference. Alternatively, wafer 30 is centered through a precision robotic wafer arrangement. The centered wafer 30 is moved to the top chuck 222 and is initially held using a vacuum. Alternatively, the centered wafer can be held via an electrostatic chuck or a combination of vacuum and electrostatic forces.

次に、３つの保持アセンブリ１１０Ａ、１１０Ｂ、及び１１０Ｃ内のフラグ１１２が、ウェハーの縁部３０ａに接触するように半径方向に駆動される。このステップの間、真空（又は静電）保持機構が支配的であり、フラグ１１２の半径方向動作は副次的である。したがって、フラグ１１２の初期位置は、受け渡しされた位置及び保持力によって決まる。これによって、デバイスは、公称サイズ以外の様々な直径の公差を有する円形ウェハーを保持することが可能になる。１つの例では、３００ｍｍウェハーを保持するように設計されたフラグ１１２を有するデバイスは、３０１ｍｍ又は２９９ｍｍの直径を有するウェハーを保持するのに用いることができる。   Next, the flags 112 in the three holding assemblies 110A, 110B, and 110C are driven radially to contact the edge 30a of the wafer. During this step, the vacuum (or electrostatic) holding mechanism is dominant and the radial motion of the flag 112 is secondary. Therefore, the initial position of the flag 112 is determined by the delivered position and holding force. This allows the device to hold circular wafers with various diameter tolerances other than the nominal size. In one example, a device having a flag 112 designed to hold a 300 mm wafer can be used to hold a wafer having a diameter of 301 mm or 299 mm.

次に、アセンブリ１１０Ａ及び１１０Ｃのフラグ１１２におけるブレーキ１５６、１５７は、アセンブリ１１０Ｂ内のフラグ１１２がばね１６０を用いてプリロード保持を維持している間適用される。２つのロックされたアセンブリ１１０Ａ、１１０Ｃは、２つの固定点を規定し、アセンブリ１１０Ｂのプリロード力は、ウェハーを確実に保持する。アセンブリ１１０Ｂのプリロード力は、処理中のシステム内の任意の熱膨張又は他のゆがみに起因して確実な保持を補償及び維持する。真空（又は静電）保持機構は、この時点で除去することができる。   Next, the brakes 156, 157 in the flags 112 of the assemblies 110A and 110C are applied while the flags 112 in the assembly 110B use the spring 160 to maintain preload retention. The two locked assemblies 110A, 110C define two fixed points, and the preload force of the assembly 110B securely holds the wafer. The preload force of assembly 110B compensates and maintains positive retention due to any thermal expansion or other distortion in the system being processed. The vacuum (or electrostatic) holding mechanism can be removed at this point.

次に、ウェハー３０が、３つのアセンブリ１１０Ａ、１１０Ｂ、及び１１０Ｃを用いて所定の位置に機械的に保持されている間、ウェハーの処理が行われる。ウェハー３０は、アセンブリ１１０Ｂ内のプリロード機構を解除することによって、処理の終了時又は他の任意の時点に解放される。   Next, the wafer is processed while the wafer 30 is mechanically held in place using the three assemblies 110A, 110B, and 110C. Wafer 30 is released at the end of processing or at any other time by releasing the preload mechanism in assembly 110B.

フラグ１１２は、プレート形状であり、上部チャック２２２の外側縁部からウェハー３０の外側縁部３０ａまでの距離に及ぶように寸法決めされた長さを有する。図４Ａ、図４Ｂ、図７Ａ、及び図７Ｂにそれぞれ示すように、種々の長さを有するフラグが、２００ｍｍの直径を有するウェハー又は３００ｍｍの直径を有するウェハーを保持するのに用いられる。フラグ１１２の遠位縁部１１３は、図６Ａに示すように、２つのウェハー２０、３０が接触したときに、下部ウェハー２０に対する十分なクリアランスを提供する段部１１１を備える。遠位縁部１１３の端面１１３ａは曲線状である。端面１１３ａの曲率は、ウェハー３０の外側縁部３０ａの曲率と一致し、これを補完する。遠位縁部１１３の端面１１３ａは、ウェハーの縁部３０ａの完全性を保護し、２つの縁部表面１１３ａ及び３０ａが互いに接触したときに制動機能を提供する保護コーティングによってコーティングされている。このコーティングは、２つの縁部表面１１３ａ及び３０ａ間の確実な保持摩擦も高める。縁部表面１１３ａの保護コーティングの例には、特に、高温耐熱ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）コーティング、ポリイミドコーティング、又はテフロンコーティングが含まれる。端面１１３ａの側面プロファイルは、図６Ｂ、図６Ｃ、及び図６Ｄにそれぞれ示すように、直線とすることもできるし、角度付きとすることもできるし、曲線状とすることもできる。   The flag 112 is plate-shaped and has a length dimensioned to span the distance from the outer edge of the upper chuck 222 to the outer edge 30 a of the wafer 30. As shown in FIGS. 4A, 4B, 7A, and 7B, flags having various lengths are used to hold a wafer having a diameter of 200 mm or a wafer having a diameter of 300 mm. The distal edge 113 of the flag 112 includes a step 111 that provides sufficient clearance for the lower wafer 20 when the two wafers 20, 30 are in contact, as shown in FIG. 6A. The end surface 113a of the distal edge 113 is curved. The curvature of the end face 113a matches the curvature of the outer edge 30a of the wafer 30 and complements this. The end face 113a of the distal edge 113 is coated with a protective coating that protects the integrity of the wafer edge 30a and provides a braking function when the two edge surfaces 113a and 30a contact each other. This coating also increases the positive holding friction between the two edge surfaces 113a and 30a. Examples of protective coatings on edge surface 113a include, among others, high temperature heat resistant polyetheretherketone (PEEK) coating, polyimide coating, or Teflon coating. As shown in FIGS. 6B, 6C, and 6D, the side surface profile of the end surface 113a can be a straight line, an angle, or a curved shape.

本発明の幾つかの実施形態が説明されてきた。それにもかかわらず、本発明の趣旨及び範囲から逸脱することなく、種々の変更を加えることができることは理解されよう。したがって、他の実施形態も以下の特許請求の範囲内にある。   Several embodiments of the present invention have been described. Nevertheless, it will be understood that various modifications may be made without departing from the spirit and scope of the invention. Accordingly, other embodiments are within the scope of the following claims.

Claims (16)

ウェハー保持システムであって、
ウェハーの縁部において該ウェハーを保持するように構成された３つの機械式保持アセンブリを備え、
前記機械式保持アセンブリのうちの２つは、前記ウェハーの縁部に対して所定の位置にロック可能であり、前記機械式保持アセンブリのうちの１つは、プリロード機構を介して前記ウェハーの縁部においてプリロード保持を維持するように構成されている、ウェハー保持システム。 A wafer holding system,
Comprising three mechanical holding assemblies configured to hold the wafer at the edge of the wafer;
Two of the mechanical holding assemblies are lockable in place with respect to the edge of the wafer, and one of the mechanical holding assemblies is connected to the edge of the wafer via a preload mechanism. A wafer retention system configured to maintain preload retention at a portion. 前記各機械式保持アセンブリは、フラグ及び枢動駆動アームを備え、前記フラグは、駆動機構を介して前記ウェハーの縁部に接触するように半径方向に駆動される、請求項１に記載のシステム。   The system of claim 1, wherein each mechanical holding assembly comprises a flag and a pivot drive arm, the flag being driven radially to contact the edge of the wafer via a drive mechanism. . ロック可能な２つの前記機械式保持アセンブリのそれぞれでは、前記フラグの遠位縁部は、前記ウェハーの縁部に接触するように構成され、前記枢動駆動アームは、横に移動して、前記フラグの近位端部の側面に形成されたスロットをピンと係合させるように構成されている、請求項２に記載のシステム。   In each of the two lockable mechanical retention assemblies, the distal edge of the flag is configured to contact the edge of the wafer, and the pivot drive arm moves laterally to The system of claim 2, configured to engage a pin with a slot formed in a side of the proximal end of the flag. プリロード保持を維持する１つの前記機械式保持アセンブリでは、前記プリロード機構は、高温耐熱ベアリングガイド式リニアスライドを備える、請求項２又は３に記載のシステム。   4. The system of claim 2 or 3, wherein in one of the mechanical retention assemblies that maintain preload retention, the preload mechanism comprises a high temperature heat resistant bearing guided linear slide. 前記各機械式保持アセンブリ内の前記駆動機構は、空気圧駆動ピストン及び駆動アームを備え、前記空気圧駆動ピストンは、前記駆動アームに接続され、該駆動アームを駆動するように構成され、前記駆動アームは、シャフト及び前記枢動駆動アームを介して前記フラグに接続されている、請求項２〜４のいずれか１項に記載のシステム。   The drive mechanism in each mechanical holding assembly includes a pneumatic drive piston and a drive arm, the pneumatic drive piston is connected to and configured to drive the drive arm, the drive arm being The system according to claim 2, connected to the flag via a shaft and the pivot drive arm. ロック可能な２つの前記機械式保持アセンブリのそれぞれでは、前記駆動機構は、可撓性ブレーキアームを駆動するように構成されたブレーキシリンダーを更に備え、前記可撓性ブレーキアームは、ブレーキング動作を、前記シャフトを介して前記枢動駆動アームに伝達するように構成されている、請求項５に記載のシステム。   In each of the two lockable mechanical holding assemblies, the drive mechanism further comprises a brake cylinder configured to drive a flexible brake arm, the flexible brake arm having a braking action. The system of claim 5, wherein the system is configured to transmit to the pivot drive arm via the shaft. 前記可撓性ブレーキアームは、面内では硬質であるとともに面外では可撓性であるフレクチャタイプの材料を含む、請求項６に記載のシステム。   The system of claim 6, wherein the flexible brake arm comprises a flexure-type material that is rigid in-plane and flexible in-plane. 前記フラグは、プレート形状であり、チャックによって支持され、該チャックの外側縁部から前記ウェハーの縁部までの距離に及ぶように寸法決めされた長さを有する、請求項２〜７のいずれか１項に記載のシステム。   8. The flag of any of claims 2-7, wherein the flag is plate-shaped and is supported by a chuck and has a length dimensioned to span the distance from the outer edge of the chuck to the edge of the wafer. The system according to item 1. ウェハー処理システムであって、
閉鎖可能な処理チャンバーと、
前記処理チャンバーの内部に位置し、請求項１〜７のいずれか１項に記載の前記３つの機械式保持アセンブリを有する前記ウェハー保持システムを介して、ウェハーを保持するように構成された上部ブロックアセンブリと、
を備え、
前記３つの機械式保持アセンブリは、前記ウェハー処理チャンバーのカバーよりも上方に突出し、前記ウェハーの縁部において前記ウェハーを保持するとともに前記処理チャンバーの外部から調整されるように構成されている、ウェハー処理システム。 A wafer processing system,
A closable processing chamber;
8. An upper block located inside the processing chamber and configured to hold a wafer via the wafer holding system having the three mechanical holding assemblies according to any one of claims 1-7. Assembly,
With
The three mechanical holding assemblies protrude above the wafer processing chamber cover and are configured to hold the wafer at the edge of the wafer and to be adjusted from the outside of the processing chamber. Processing system. 前記フラグは、プレート形状であり、前記上部ブロックアセンブリに備えられたチャックによって支持され、該チャックの外側縁部から前記ウェハーの縁部までの距離に及ぶように寸法決めされた長さを有する、請求項９に記載のシステム。   The flag is plate-shaped and is supported by a chuck included in the upper block assembly and has a length dimensioned to span the distance from the outer edge of the chuck to the edge of the wafer; The system according to claim 9. 前記フラグの遠位縁部は、段部を備える、請求項９又は１０に記載のシステム。   11. A system according to claim 9 or 10, wherein the distal edge of the flag comprises a step. 前記フラグの遠位縁部は、曲線状である、請求項９〜１１のいずれか１項に記載のシステム。   12. A system according to any one of claims 9 to 11, wherein the distal edge of the flag is curved. 前記フラグの前記遠位縁部は、前記ウェハーの縁部の曲率と一致し、これを補間する曲率を有する、請求項１２に記載のシステム。   The system of claim 12, wherein the distal edge of the flag has a curvature that matches and interpolates the curvature of the edge of the wafer. 前記フラグの前記遠位縁部は、前記ウェハーの縁部の完全性を保護し、前記フラグの前記遠位縁部が前記ウェハーの縁部に接触したときに制動を提供し、前記フラグの前記遠位縁部と前記ウェハーの縁部との間に確実な保持摩擦を提供するように構成された保護コーティングを備える、請求項９〜１３のいずれか１項に記載のシステム。   The distal edge of the flag protects the integrity of the edge of the wafer and provides braking when the distal edge of the flag contacts the edge of the wafer; 14. A system according to any one of claims 9 to 13, comprising a protective coating configured to provide a positive holding friction between a distal edge and the edge of the wafer. 前記保護コーティングは、高温耐熱ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）コーティング、ポリイミドコーティング、又はテフロンコーティングのうちの１つを含む、請求項１４に記載のシステム。   The system of claim 14, wherein the protective coating comprises one of a high temperature heat resistant polyetheretherketone (PEEK) coating, a polyimide coating, or a Teflon coating. 前記フラグの遠位縁部は、直線状、角度付き又は曲線状である、請求項９〜１５のいずれか１項に記載のシステム。   16. A system according to any one of claims 9 to 15, wherein the distal edge of the flag is straight, angled or curved.
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