JP5718235B2 - ウェハーの接合を強くするウェハーボンディングのための方法及び装置 - Google Patents
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Description
本発明は半導体ウェハーボンディングのための改善された方法及び装置に関し、より詳細には、強化されたウェーは結合をもたらす改善された工業規模の半導体ウェハーボンディングに関する。
［関連する同時係属出願の相互参照］
本出願は、２００８年１１月１６日に出願された「METHOD AND APPARATUS FORWAFER BONDING WITH ENHANCED WAFER MATING」と題する米国仮特許出願第６１／１１５，１０１号の恩典を主張し、その仮特許出願の内容は参照により本明細書に明示的に援用される。
本出願は、２００８年１１月１６日に出願された「METHOD AND APPARATUS FORWAFER BONDING WITH ENHANCED WAFER MATING」と題する米国仮特許出願第６１／１１５，１０１号の恩典を主張し、その仮特許出願の内容は参照により本明細書に明示的に援用される。
半導体デバイスを形成するための広範な半導体工程の用途においてウェハー間（Ｗ２Ｗ）ボンディングが実施されている。ウェハーボンディングが適用される半導体工程の応用例は、集積回路の基板処理及び製造、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）のパッケージング及び封入、並びに純粋なマイクロエレクトロニクスの多数の処理層のスタッキング（３Ｄ集積）を含む。Ｗ２Ｗボンディングは、２つ以上のウェハー表面を位置合わせすること、それらの表面を接触させること、及びそれらの表面間に強い結合界面を形成することを含む。そのようにして製造された半導体デバイスの全体的な加工歩留まり及び製造コスト、そして最終的には、これらのデバイスを組み込む電子製品のコストは、ウェハー・ツー・ウェハー結合の品質に依るところが大きい。Ｗ２Ｗ結合の品質は、結合強度の均一性及び完全性によって、そしてウェハー結合界面にわたってウェハー同士の位置合わせが維持されるかによって決まる。
中でも、直接／融合／酸化物ウェハーボンディング、熱圧着、接着及び金属拡散ボンディングを含む、複数のウェハー・ツー・ウェハーボンディング方法がある。直接ウェハーボンディングは、中間的な接着剤又は外力を一切用いることなく、２つの別々のウェハー表面を接触させて結合する工程を指している。初期の結合強度は通例弱いので、一般的には、後続の焼きなましステップを実行して、その結合を強化する。直接ウェハーボンディング工程は、表面活性化、室温ボンディング及び焼きなましを含む、３ステップ工程と見なすことができる。プレボンディングとしても知られている室温ボンディングは、ファンデルワールス力としても知られている原子間及び分子間力、水素架橋又は水架橋を基にする。これらの力は相対的に弱い。しかしながら、多くの場合に、ただ一点においてのみ開始されれば、汚れがなく、平坦な２つの表面の自発的なボンディングが生じる。通常、そのボンディングは中心において、又はエッジにおいて開始される。一旦、ボンディングが開始されると、いわゆる、ボンディングフロントがボンディング界面にわたって伝搬する。
上記のように、結合品質の１つの重要なパラメーターは、ウェハー表面の初期位置合わせの維持である。ウェハーのサブミクロン位置合わせ精度を生み出すいくつかのウェハー位置合わせ法が提案されている。しかしながら、ボンディング工程の後続ステップが、初期位置合わせのサブミクロン精度を歪めるので、結果として、最終的な製品では、ウェハー位置合わせが数ミクロンよりも大きな精度レベルにまで劣化する場合がある。したがって、ボンディング工程全体を通して、ウェハーの初期の正確な位置合わせを保持する、改善された半導体ウェハーボンディング作業工程が必要とされている。
概して、１つの態様において、本発明は以下を含む半導体構造を結合するための方法を特徴とする。アライナー機器の取付ツール内で、第１の半導体構造の第１の表面を、第２の半導体構造の第１の表面の真向かいに、かつ第２の半導体構造の第１の表面から第１の距離に配置すること。第１の半導体構造の第１の表面及び第２の半導体構造の第１の表面を、サブミクロン位置合わせ精度まで、互いに平行に位置合わせすること。第１の半導体構造及び第２の半導体構造の位置合わせされた第１の表面を互いから第２の距離に動かすことであって、第２の距離は第１の距離未満である、動かすこと。単一の点において終端するポートを通って流れる加圧ガスにより単一の点に圧力を加えることによって、第１の半導体構造及び第２の半導体構造の位置合わせされた第１の表面を単一の点において原子接触させて、結合界面を形成すること。加圧ガスを制御することによって、第１の半導体構造の第１の表面及び第２の半導体構造の第１の表面の部分にわたって結合界面を径方向に伝搬すること。加圧ガスの圧力を低減すると共に、第１の半導体構造の第１の表面及び第２の半導体構造の第１の表面を互いに完全に接触させること。取付ツール内で第１の半導体構造及び第２の半導体構造を互いに固定し、固定された第１の半導体構造及び第２の半導体構造を結合すること。
本発明のこの態様の実施は、以下の特徴の１つ又は複数を含み得る。取付ツールは第１の取付ツール構成要素及び第２の取付ツール構成要素を備えており、第１の取付ツール構成要素の第１の表面は第１の半導体構造の第２の表面と接触するように配置され、第２の取付ツール構成要素の第１の表面は第２の半導体表面の第２の表面と接触するように配置される。第１の半導体構造の第２の表面及び第２の半導体構造の第２の表面はそれぞれ、第１の半導体構造の第１の表面及び第２の半導体構造の第１の表面の反対側にある。アライナーは、向かい合って配置される第１のチャック及び第２のチャックを備えており、第１の取付ツール構成要素の第２の表面は第１のチャックと接触しており、第２の取付ツール構成要素の第２の表面は第２のチャックと接触している。第１の取付ツール構成要素の第２の表面及び第２の取付ツール構成要素の第２の表面はそれぞれ、第１の取付ツール構成要素の第１の表面及び第２の取付ツール構成要素の第１の表面の反対側にある。第１の半導体構造及び第２の半導体構造の第１の表面及び第２の表面は、第２のチャックを第１のチャックに向かって動かすことによって、互いに完全に接触する。第２の距離は、１００マイクロメートル〜１５０マイクロメートルの範囲にある。結合することは、熱を加えること、圧力を加えること、電流を印加すること、又は電磁放射を加えることのうちの少なくとも１つを含む。第１の半導体構造の第２の表面及び第２の半導体構造の第２の表面は、真空によって、それぞれ第１の取付ツール構成要素の第１の表面及び第２の取付ツール構成要素の第１の表面と接触したまま保持される。本方法は、結合する前に、取付ツールを固定された第１の半導体構造及び第２の半導体構造と共にアライナーから取り外すこと、及び記取付ツールを固定された第１の半導体構造及び第２の半導体構造前と共にボンダー機器内に配置することをさらに含み得る。アライナーはボンダーと一体に構成される得る。本方法は、加えられた圧力をフォースフィードバックセンサーにより測定し、制御することをさらに含み得る。加圧ガスを制御することは、加圧ガスの流量、圧力又は温度のうちの少なくとも１つを制御することを含む。
概して、別の態様において、本発明は以下の機器を備える半導体構造を結合するための装置を特徴とする。取付ツール内で、第１の半導体構造の第１の表面を、第２の半導体構造の第１の表面の真向かいに、かつ第２の半導体構造の第１の表面から第１の距離に配置するための機器。第１の半導体構造の第１の表面及び第２の半導体構造の第１の表面を、サブミクロン位置合わせ精度まで、互いに平行に位置合わせするための機器。第１の半導体構造及び第２の半導体構造の位置合わせされた第１の表面を互いから第２の距離に動かすための機器。第２の距離は第１の距離未満である。単一の点において終端するポートを通って流れる加圧ガスにより単一の点に圧力を加えることによって、第１の半導体構造及び第２の半導体構造の位置合わせされた第１の表面を単一の点において原子接触させて、結合界面を形成するための機器。加圧ガスを制御することによって、第１の半導体構造の第１の表面及び第２の半導体構造の第１の表面の部分にわたって結合界面を径方向に伝搬するための機器。加圧ガスの圧力を低減すると共に、第１の半導体構造の第１の表面及び第２の半導体構造の第１の表面を互いに完全に接触させるための機器。取付ツール内で第１の半導体構造及び第２の半導体構造を互いに固定するための機器、及び固定された第１の半導体構造及び第２の半導体構造を結合するための機器。
概して、別の態様において、本方法は以下を含む半導体構造を結合するための方法を特徴とする。まず、第１の半導体構造の第１の表面を、第２の半導体構造の第１の表面の真向かいに、かつ第２の半導体構造の第１の表面から第１の距離に配置すること。次に、第１の半導体構造の第１の表面及び第２の半導体構造の第１の表面をサブミクロン位置合わせ精度まで、互いに平行に位置合わせすること。次に、第１の半導体構造の第２の表面において終端するポートを通って流れる加圧ガスにより第２の表面に圧力を加えると共に、第１の半導体構造の第１の表面を第２の半導体構造の第１の表面に向かって撓ませること。第１の半導体構造の第２の表面は第１の表面の反対側にある。次に、第１の半導体構造の第２の表面に加えられる力を測定し、その後、測定される力が設定された値に達するまで、第２の半導体構造の第１の表面を第１の半導体構造の第１の表面に向かって動かすこと。次に、第１の表面が原子接触し、結合界面が形成されるときに、結合界面が設定された速度で第１の表面にわたって径方向に伝搬するように、第２の半導体構造が動く速度を制御すること。次に、第１の半導体構造の第１の表面及び第２の半導体構造の第１の表面が互いに完全に接触しているときに、加圧ガスの圧力を低減し、その後、第１の半導体構造及び第２の半導体構造を取付ツール内で互いに固定し、その後、固定された第１の半導体構造及び第２の半導体構造を結合すること。
概して、別の態様において、本発明は以下を含む半導体構造を結合するための方法を特徴とする。まず、第１の半導体構造の第１の表面を、第２の半導体構造の第１の表面の真向かいに、かつ第２の半導体構造の第１の表面から第１の距離に配置し、第１の半導体構造の第１の表面及び第２の半導体構造の第１の表面を、サブミクロン位置合わせ精度まで、互いに平行に位置合わせすること。次に、第１の半導体構造の第２の表面の単一の点において終端するポートを通って流れる加圧ガスにより第２の表面に圧力を加えると共に、第１の半導体構造の第１の表面を第２の半導体構造の第１の表面に向かって撓ませること。第２の表面は第１の表面の反対側にある。次に、加えられる力が設定された値に達するまで、加圧ガスの圧力を高めることによって、かつ／又は第２の半導体構造の第１の表面を第１の半導体構造の第１の表面に向かって動かすことによって、第１の半導体構造及び第２の半導体構造の位置合わせされた第１の表面を原子接触させると共に、結合界面を形成すること。次に、加圧ガスの圧力を制御することによって、かつ／又は第２の半導体構造が動く速度を制御することによって、結合界面を、第１の半導体構造の第１の表面及び第２の半導体構造の第１の表面にわたって、設定された径方向速度で径方向に伝搬させること。
本発明の１つ又は複数の実施形態の詳細を添付の図面及び下記の記載において説明する。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記載、図面、及び特許請求の範囲から明らかとなろう。
図面を参照する際に、いくつかの図面全体を通して、同じ番号は同じ部品を表す。
８０：通常の直接ウェハーボンディング工程
８２：ウェハーアライナー機器
８２：ウェハーアライナー
８２：アライナー
８２：上側ウェハー
８３：単一の点（通常、ウェハーエッジ（図１Ｃに示す）又は中心(図１Ｄに示す)）
８４：ウェハーボンダー装置
８４：ボンディング装置
８４：バッチアニーリングオーブン
８５：ウェハー間の近接間隙
８５：エアクッション
８５：下側ウェハー
８６：フラットキャリア（チャック）
８８ａ，８８ｂ：機械スペーサー
９２：ウェハーアライナー機器
９２：アライナー／ボンダーシステム
１００：改良されたウェハーボンディング装置システム
１０２、１０４：ウェハー
１０２：ウェハー
１０２：上側ウェハー
１０２ａ：底面
１０２ｂ：背面
１０４ａ：下側ウェハー表面
１０２ａ及び１０４ａ：表面
１０４：下側ウェハー
１０４ａ：上面
１０６：空隙
１０６：ウェハー間の距離
１０６：距離
１０６：空隙距離
１０８ａ：上側ツーリングプレート
１０８ｂ：下側ツーリングプレート
１１０：中央ポート
１１０：ポート
１１２ａ、１１２ｂ：周辺ポート
１１４ａ，１１４ｂ：外縁真空溝
１１５ａ、１１５ｂ：外縁真空溝
１１５ａ、１１５ｂ及び１１４ａ、１１４ｂ：外縁真空溝
１１６：Ｚ方向
１１６：方向
１１７：方向
１２０ａ：上側チャック
１２０ａ：上側アライナーチャック
１２０ｂ：下側チャック
１２０ｂ：アライナー下側チャック
１２５：加圧ガス
１２５：ガス圧
１２６：遠端下の点
１２６：単一の点
１２７ａ、１２７ｂ：方向
１２８：平面
１３０：加圧ガス
１４０：クランプ
１４５：固定された取付具
１４５：改良されたウェハー固定ツール
１４５：取付ツール
１５０：改良されたウェハーボンディング方法
１７１：パッチエリア
１８０ｂ：下側ツーリングプレート
２００：改良されたウェハーボンディングシステム
２４５：ウェハーツール
２５０：改良されたウェハーボンディング方法
８２：ウェハーアライナー機器
８２：ウェハーアライナー
８２：アライナー
８２：上側ウェハー
８３：単一の点（通常、ウェハーエッジ（図１Ｃに示す）又は中心(図１Ｄに示す)）
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８４：ボンディング装置
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８５：ウェハー間の近接間隙
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８５：下側ウェハー
８６：フラットキャリア（チャック）
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９２：ウェハーアライナー機器
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１００：改良されたウェハーボンディング装置システム
１０２、１０４：ウェハー
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１０２：上側ウェハー
１０２ａ：底面
１０２ｂ：背面
１０４ａ：下側ウェハー表面
１０２ａ及び１０４ａ：表面
１０４：下側ウェハー
１０４ａ：上面
１０６：空隙
１０６：ウェハー間の距離
１０６：距離
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１０８ａ：上側ツーリングプレート
１０８ｂ：下側ツーリングプレート
１１０：中央ポート
１１０：ポート
１１２ａ、１１２ｂ：周辺ポート
１１４ａ，１１４ｂ：外縁真空溝
１１５ａ、１１５ｂ：外縁真空溝
１１５ａ、１１５ｂ及び１１４ａ、１１４ｂ：外縁真空溝
１１６：Ｚ方向
１１６：方向
１１７：方向
１２０ａ：上側チャック
１２０ａ：上側アライナーチャック
１２０ｂ：下側チャック
１２０ｂ：アライナー下側チャック
１２５：加圧ガス
１２５：ガス圧
１２６：遠端下の点
１２６：単一の点
１２７ａ、１２７ｂ：方向
１２８：平面
１３０：加圧ガス
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１４５：固定された取付具
１４５：改良されたウェハー固定ツール
１４５：取付ツール
１５０：改良されたウェハーボンディング方法
１７１：パッチエリア
１８０ｂ：下側ツーリングプレート
２００：改良されたウェハーボンディングシステム
２４５：ウェハーツール
２５０：改良されたウェハーボンディング方法
図１Ａを参照すると、通常の直接ウェハーボンディング工程８０において、ウェハー１０２、１０４が水平に向けられ、互いに平行に位置合わせされる。下側ウェハー１０４は、フラットキャリア（チャック）８６上に、表を上にして配置される。上側ウェハー１０２は、機械スペーサー８８ａ、８８ｂ上に、表を下にして配置される。ウェハー間の近接間隙８５は、スペーサーの厚み及び位置によって画定される。次に、図１Ｂに示されるように、スペーサー８８ａ、８８ｂが除去されるが、２つの平坦な表面間にエアクッション８５があるので、上側ウェハー８２は下側ウェハー８５の上に浮かぶ。次に、単一の点８３（通常、ウェハーエッジ（図１Ｃに示す）又は中心(図１Ｄに示す)）に力Ｆが加えられ、ウェハー１０２、１０４を非常に近接させるか又は原子接触させて、ファンデルワールス力に基づいて、ボンディングを開始する。直線又は円形の結合先端が広がり、接触界面から空気を追い出し、それらの表面を原子接触状態にしておく。
図２を参照すると、改良されたウェハーボンディング装置システム１００が、ウェハーアライナー機器８２と、ウェハーボンダー装置８４とを備える。ウェハーアライナー８２は、改良されたウェハー固定ツール１４５を備えており、そのウェハー固定ツールは、ウェハー表面間を制御しながら原子接触させ、固定ツールを、接触している位置合わせされたウェハーと共に、アライナー８２から制御しながら取り外せるようにする。ウェハー１０２、１０４がアライナー８２内に導入され、空隙距離１０６において、サブミクロン精度レベルに位置合わせされる。図４Ａを参照すると、下側ウェハー１０４が下側ツーリングプレート１０８ｂ上に上面１０４ａを上向きにして配置され、外縁真空溝１１４ａ、１１４ｂを通して引き込まれる真空によって、下側ツーリングプレート１８０ｂの上面上の所定の位置に保持される。下側ツーリングプレート１０８ｂは、その底面が下側チャック１２０ｂの上面と接触するように、アライナー下側チャック１２０ｂの上に配置される。上側ツーリングプレート１０８ａは、その底面１０２ａが下向きになるようにウェハー１０２を保持する。上側ウェハー１０２は、外縁真空溝１１５ａ、１１５ｂを通して引き込まれる真空によって、上側ツーリングプレート１０８ａによって所定の位置に保持される。上側ツーリングプレート１０８ａは、取り付けられたウェハー１０２と共に、２つの周辺ポート１１２ａ、１１２ｂを通して引き込まれる真空によって、上側アライナーチャック１２０ａによって保持される。周辺ポート１１２ａ、１１２ｂは、上側チャック１２０ａの厚みを貫通して延在し、上側ツーリングプレート１０８ａを保持するための真空を引き込むために用いられる。また、周辺ポート１１２ａ、１１２ｂを用いて、以下に記述されるように、上側ツーリングプレート１０８ａの背面に加圧ガスを流し、上側ツーリングプレート１０８ａを上側チャック１２０ａから制御可能なように分離する。さらに、中央ポート１１０が、上側チャックの厚み、及び上側ツーリングプレート１０８ａの厚みを貫通して延在し、以下に記述されるように、ウェハー１０２の背面に加圧ガスを流すために用いられる。
最初に、表面１０２ａ及び１０４ａが空隙距離１０６において互いに平行になるように、ウェハー１０２、１０４が位置合わせされる。図４Ｂを参照すると、空隙１０６は、方向１１６において下側チャックを上方に動かすことによって、約１００ミクロン〜１５０ミクロンの距離まで近づけられる。この時点で、ウェハー１０２、１０４はそれぞれ、外縁真空溝１１５ａ、１１５ｂ及び１１４ａ、１１４ｂを通して真空を引き込むことによって、上側ツーリングプレート１０８ａ及び下側ツーリングプレート１０８ｂと接触したまま保持される。図４Ｃを参照すると、加圧ガス１２５が中央ポート１１０を通して導入される。ガス１２５の流量、温度及び圧力は制御される。一例では、ガス１２５は窒素であり、その圧力が５０ｍｂａｒステップで高められる。ガス１２５の圧力が高くなると、図４Ｃに示されるように、ウェハー１０２の背面１０２ｂが下方に押され、上側ウェハー１０２が下方に撓む。約２００ｍｂａｒのガス圧において、ポート１１０の遠端下の点１２６で、表面１０２ａと１０４ａとの間の原子接触が開始される。点１２６に加えられる力は、フォースフィードバックセンサー（図示せず）によって決定される。一例では、フォースフィードバックセンサーは歪みゲージである。方向１２７ａ、１２７ｂに沿ってガス圧フロント（gas pressure front）が径方向に伝搬することによって、２つのウェハーの表面１０２ａ、１０４ａが互いに原子接触する。表面１０２ａ、１０４ａの接触面積は、加えられるガス圧、及びウェハー間の距離によって決まる。同様に、結合フロント伝搬速度も、加えられるガス圧１２５及びウェハー間の距離１０６によって決まる。したがって、結合フロント伝搬速度及び結合される面積のサイズは、加えられるガス１２５の圧力を調整することによって、かつ下側チャック１２０ｂを方向１１６において上方に動かすことによりウェハー間の距離１０６を調整することによって制御される。一旦、点１２６において、表面１０２ａと１０４ａとの間に完全に原子接触が達成されると、図４Ｄに示されるように、ガス１２５の圧力が低減され、下側チャック１２０ｂが方向１１６において上方に動かされて、ウェハー１０２の背面１０２ｂと上側ツーリングプレート１０８ａとの間の空隙を閉じる。次に、周辺ポート１１２ａ、１１２ｂを通して引き込まれる真空が解除され、加圧ガス１３０がポート１１２ａ、１１２ｂを通して上側ツーリングプレート１０８ａの背面に流し込まれ、図４Ｅに示されるように、平面１２８に沿って、上側ツーリングプレート１０８ａを上側チャック１２０ａから制御可能なように切り離す。一例では、加圧ガス１３０は、２０ｍｂａｒの圧力の圧縮乾燥空気である。次のステップにおいて、図４Ｆに示されるように、上側ツーリングプレート１０８ａ、下側ツーリングプレート１０８ｂは、結合されたウェハー１０２、１０４と共に、クランプ１４０を用いて、その端部において互いに固定され、下側チャック１２０ｂが方向１１７において下方に動かされる。次に、固定された取付具１４５は、結合されたウェハー１０２、１０４と共に、図２に示されるように、後処理のためにボンディング装置８４に動かされる。ボンディング装置８４内の後処理は、中でも、高温において焼きなますこと、圧力を加えること、電界を印加すること、又は他の電磁放射を加えることを含む。
図３Ａを参照すると、改良されたウェハーボンディング方法１５０は以下のステップを含む。最初に、上記で説明され、図４Ａに示されるように、ウェハー対が取付ツール１４５内に保持され、取付ツールはウェハー対と共にアライナーの上側チャックと下側チャックとの間に配置される（１５２）。次に、上記で説明され、図４Ｂにおいて示されるように、ウェハー対がサブミクロン位置合わせ精度まで位置合わせされ（１５４）、位置合わせされたウェハー間の空隙が約１００〜１５０ミクロンまで近づけられる（１５６）。次に、上記で説明され、図５Ａにおいて示されるように、単一の点において終端するポートを通して加圧ガスを流すことにより、その単一の点において２つのウェハーのうちの一方の背面にガス圧を加えることによって、ウェハー表面を単一の点１２６において原子接触させる（１５８）。単一の点において加えられる力は、フォースフィードバックセンサーによって決定される。次に、加えられるガス圧がウェハーの背面に沿って径方向に分散され、結合フロントが結合界面の部分にわたって伝搬する。加圧ガスの加えられる圧力が低減され、上記で説明され、図５Ｂに示されるように、下側チャックを上方に動かすことによって、２つのウェハー表面が互いに完全に原子接触する（１６０）。完了時に、上記で説明され、図６Ａに示されるように、取付ツールが上側チャックから切り離され、ウェハー対は取付ツール内に固定される（１６２）。次に、取付ツールがアライナーから取り外され、ボンダー装置内に配置される（１６４）。ボンダー装置では、中でも、熱、圧力、電流又は他の電磁放射を加えることを含む、結合されたウェハー対の後処理が行なわれる（１６６）。
図３Ｂを参照すると、別の実施形態において、改良されたウェハーボンディング方法１７０は以下のステップを含む。最初に、上記で説明され、図４Ａに示されるようにウェハー対が取付ツール１４５内に保持され、取付ツールはウェハー対と共にアライナーの上側チャック１２０ａと下側チャック１２０ｂとの間に配置される（１５２）。次に、上記で説明され、図４Ｂにおいて示されるように、ウェハー対が第１の距離１０６において互いにサブミクロン位置合わせ精度まで位置合わせされる（１５４）。次に、図５Ａにおいて示されるように、パッチエリア１７１において終端するポート１１０を通して加圧ガス１２５を流すことにより、その背面１０２ｂにガス圧を加えることによって、上側ウェハー１０２が下方に撓む（１５５）。上側ウェハー表面１０２ａが下側ウェハー表面１０４ａと接触しないように、ガス圧は設定された値において一定に保持される。上側ウェハー１０２上に加えられる力は、フォースフィードバックセンサーによって決定される。次に、図５Ｂにおいて示されるように、下側ウェハー表面１０４ａがパッチエリア１７１において上側ウェハー表面１０２ａと接触し、パッチエリア１７１に加えられる力が、設定された所望の値になるまで、下側チャック１２０ｂがＺ方向１１６において上方に動かされる（１５７）。次に、下側チャック１２０ｂが、Ｚ方向１１６においてさらに上方に動かされ、下側チャック１２０ｂの垂直Ｚ方向速度が制御され、結合界面の径方向伝搬速度が所望の設定値になるような値に設定される（１５９）。２つのウェハー表面１０２ａ、１０４ａが完全に接触するとき、ガス圧が低減され（１６１）、その後、上記で説明され、図４Ｆにおいて示されるように、取付ツール１４５が上側チャック１２０ａから切り離され、ウェハー対が取付ツール１４５内で固定される（１６２）。次に、取付ツール１４５がアライナーから取り外され、ボンダー装置内に配置される（１６４）。ボンダー装置では、中でも、熱、圧力、電流又は他の電磁放射を加えることを含む、結合されたウェハー対の後処理が行なわれる（１６６）。
一例では、以下のパラメーター設定を用いて、径方向結合界面伝搬速度を１０ｍｍ／ｓｅｃになるように制御する。最初に、ステップ１５５においてポート１１０を通して加えられるガス圧１２５は１５０ｍｂａｒに設定され、ウェハー表面１０２ａと１０４ａとの間の距離１０６は約１ミリメートルである。ウェハー１０２及び１０４は３００ｍｍの直径を有する。５０ｍｍの直径を有するパッチエリア１７１上の力が３０６グラムと測定されるまで、下側チャックがＺ軸１１６に沿って上方に動かされる。その際、２つの３００ｍｍ径ウェハー１０２、１０４の残りの非接触面積が１２．５ｓｅｃの時間内に完全に接触するように、下側チャック１２０ｂの垂直Ｚ方向速度は、３６．８μｍ／ｓｅｃになるように制御される。これらのパラメーター設定の結果として、径方向結合伝搬速度は１０ｍｍ／ｓｅｃになる。
図６を参照すると、別の実施形態において、改良されたウェハーボンディングシステム２００が、ウェハーアライナー機器９２と、ウェハー表面間の制御された原子接触を提供する改良されたウェハーツール２４５とを備える。この実施形態では、必要とされる場合があるウェハー表面間の直接結合の任意の後処理が、アライナー機器９２内で実行される。ウェハー１０２、１０４がアライナー９２に導入され、空隙距離１０６においてサブミクロン精度レベルまで位置合わせされる。図８Ａに示されるように、ウェハー１０４が、その上面１０４ａを上向きにして下側ツーリングプレート１０８ｂ上に配置され、外縁真空溝１１４ａ、１１４ｂを通して引き込まれる真空によって下側ツーリングプレート１０８ｂの上面上の所定の場所に配置される。下側ツーリングプレート１０８ｂが、その底面が下側チャック１２０ｂの上面と接触するように、アライナー下側チャック１２０ｂの上に配置される。上側ツーリングプレート１０８ａは、その底面１０２ａが下向きになるようにウェハー１０２を保持する。外縁真空溝１１５ａ、１１５ｂを通して引き込まれる真空を用いて、ウェハー１０２が上側ツーリングプレート１０８ａによって所定の場所に配置される。ウェハー１０２が取り付けられている上側ツーリングプレート１０８ａが、２つの周辺ポート１１２ａ、１１２ｂを通して引き込まれる真空によって上側アライナーチャック１２０ａによって保持される。周辺ポート１１２ａ、１１２ｂが上側チャックの厚みを貫通して延在し、上側ツーリングプレート１０８ａを保持するための真空を引き込むために用いられる。代替的には、周辺ポート１１２ａ、１１２ｂを用いて、上側ツーリングプレート１０８ａの背面に加圧ガスを流し、上側チャック１２０ａから上側ツーリングプレート１０８ａを制御可能なように切り離す。さらに、中央ポート１１０が、上側チャックの厚み及び上側ツーリングプレート１０８ａの厚みを貫通して延在し、以下に説明されるように、ウェハー１０２の背面に加圧ガスを流すために用いられる。
最初に、ウェハー１０２、１０４が、表面１０２ａ及び１０４ａが空隙距離１０６において互いに平行になるように位置合わせされる。図８Ｂに示されるように、方向１１６において下側チャックを上方に動かすことによって、空隙１０６は約１００〜１５０ミクロンの距離に近づけられる。この時点において、ウェハー１０２、１０４がそれぞれ、外縁真空溝１１５ａ、１１５ｂ及び１１４ａ、１１４ｂを通して真空を引き込むことによって、上側ツーリングプレート１０８ａ及び下側ツーリングプレート１０８ｂと接触したまま保持される。図８Ｃに示されるように、加圧ガス１２５が中央ポート１１０を通して導入される。ガス１２５の流量、温度及び圧力は制御される。一例では、ガス１２５は窒素であり、その圧力は５０ｍｂａｒステップで高められる。ガス１２５の圧力が高くなると、ウェハー１０２の背面１０２ｂが下方に押される。約２００ｍｂａｒのガス圧において、ポート１１０の遠端下の点１２６で、表面１０２ａと１０４ａとの間の原子接触が開始される。その単一の点に加えられる力は、フォースフィードバックセンサーによって決定される。方向１２７ａ、１２７ｂに沿ってガス圧フロントが径方向に伝搬することによって、２つのウェハーの表面１０２ａ、１０４ａが互いに完全に原子接触する。表面１０２ａ、１０４ａの接触面積は、加えられるガス圧、及びウェハー間の距離によって決まる。同様に、結合フロント伝搬速度も、加えられるガス圧及びウェハー間の距離によって決まる。したがって、結合フロント伝搬速度及び結合される面積は、加えられるガス１２５の圧力を調整することによって、かつ下側チャック１２０ｂを方向１１６において上方に動かすことによりウェハー間の距離を調整することによって制御される。一旦、表面１０２ａと１０４ａとの間の原子接触の所望の面積が達成されると、ガス１２５の圧力が低減され、外縁真空溝１１４ａ、１１４ｂを通して引き込まれる真空が解除され、下側チャック１２０ｂが、下側ツーリングプレート１０８ｂと共に方向１１７において下方に動かされる。次のステップでは、図８Ｅに示されるように、直接結合されたウェハー１０２、１０４が上側ツーリングプレート１０８ａ及び下側ツーリングプレート１０８ｂから切り離され、アライナー／ボンダーシステム９２から取り外される。結合されたウェハー対をアライナー／ボンダーシステム９２から取り外す前に、又は結合されたウェハー対をアライナー／ボンダーシステムから取り外した後に別のバッチアニーリングオーブン８４において、高温焼きなましステップを実行することもできる。
図７を参照すると、改良されたウェハーボンディング方法２５０が以下のステップを含む。最初に、上記で説明され、図８Ａに示されるように、ウェハー対がアライナーツール内に保持され、アライナーツールがウェハー対と共にアライナー（２５２）の上側チャックと下側チャックとの間に配置される。次に、上記で説明され、図８Ｂに示されるように、ウェハー対がサブミクロン位置合わせ精度まで位置合わせされ（２５４）、位置合わせされたウェハー間の空隙が約１００〜１５０ミクロンまで近づけられる（２５６）。次に、上記で説明され、図８Ｃに示されるように、単一の点において終端するポートを通して加圧ガスを流すことにより、単一の点に圧力を加えることによって、ウェハー表面を単一の点において原子接触させる（２５８）。他の実施形態では、加圧ガスによって、上側ウェハー１０２が下方に撓み、その後、下側ウェハー１０４が、上側ウェハーと接触するまで上方に動かされる。ウェハー接触及び加えられる力は、フォースフィードバックセンサーによって決定される。次に、結合界面の部分にわたって結合フロントが伝搬し、上記で説明され、図８Ｄにおいて示されるように、加圧ガス１２５の圧力を高めることによって、かつ／又は下側チャック１２０ｂを上方に動かしてウェハー間の距離を近づけることによって、２つのウェハー表面が互いに完全に原子接触する（２６０）。完了時に、加圧ガスの流量が低減され、結合されたウェハーが、上側及び下側位置合わせプレート、並びに上側及び下側チャックから切り離され（２６２）、ウェハー対がアライナーから取り外される（２６４）。
本発明の利点の中には、以下に記述するものうちの１つ又は複数が含まれる場合がある。結合されたウェハーの最終的な位置合わせにおいて、サブミクロン位置合わせ精度が保持される。これは、従来技術のウェハーボンディング方法の位置合わせ歪みを何分の１にも小さくする。結合フロントが径方向においてウェハー間で伝搬することによって、気泡が押し出され、結果として、空所のないウェハー結合が達成される。本発明のＷ２Ｗボンディング方法は、中でも、直接／融合／酸化物ボンディング、熱圧着、プラズマ活性化ボンディング、及び拡散ボンディングを含む、概ね任意のタイプのボンディングのために用いることができる。その方法は、加圧ガスの圧力、流量、温度及び化学的性質及び／又はウェハー間距離を制御することによって、工程管理及び繰返し精度を提供する。
本発明のいくつかの実施形態が記述されてきた。それにもかかわらず、本発明の精神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、他の実施形態も添付の特許請求の範囲内にある。
Claims (25)
- 半導体構造を結合するための方法であって、
アライナー機器の取付ツール内で、第１の半導体構造の第１の表面を、第２の半導体構造の第１の表面の真向かいに、かつ該第２の半導体構造の第１の表面から第１の距離に配置すること、
前記第１の半導体構造の前記第１の表面及び前記第２の半導体構造の前記第１の表面を、サブミクロン位置合わせ精度まで、互いに平行に位置合わせすること、
前記第１の半導体構造及び前記第２の半導体構造の前記位置合わせされた第１の表面を互いから第２の距離に動かすことであって、前記第２の距離は前記第１の距離未満であること、
単一の点において終端するポートを通って流れる加圧ガスにより、加圧開始時に、前記単一の点に圧力を加えることによって、前記第１の半導体構造及び前記第２の半導体構造の前記位置合わせされた第１の表面を前記単一の点において原子接触させて、結合界面を形成すること、
前記加圧ガスを制御することによって、前記第１の半導体構造の前記第１の表面及び前記第２の半導体構造の前記第１の表面の部分にわたって前記結合界面を径方向に伝搬すること、
該加圧ガスの該圧力を低減すると共に、前記第１の半導体構造の前記第１の表面及び前記第２の半導体構造の前記第１の表面を互いに完全に接触させること、
前記取付ツール内で前記第１の半導体構造及び前記第２の半導体構造を互いに固定すること、及び
前記固定された第１の半導体構造及び第２の半導体構造を結合すること、
を含む、半導体構造を結合するための方法。 - 前記取付ツールは第１の取付ツール構成要素及び第２の取付ツール構成要素を備えており、前記第１の取付ツール構成要素の第１の表面は前記第１の半導体構造の第２の表面と接触するように配置され、前記第２の取付ツール構成要素の第１の表面は前記第２の半導体構造の第２の表面と接触するように配置され、前記第１の半導体構造の前記第２の表面及び前記第２の半導体構造の前記第２の表面はそれぞれ、前記第１の半導体構造の前記第１の表面及び前記第２の半導体構造の前記第１の表面の反対側にある、請求項１に記載の方法。
- 前記アライナーは、向かい合って配置される第１のチャック及び第２のチャックを備えており、前記第１の取付ツール構成要素の第２の表面は前記第１のチャックと接触しており、前記第２の取付ツール構成要素の第２の表面は前記第２のチャックと接触しており、前記第１の取付ツール構成要素の前記第２の表面及び前記第２の取付ツール構成要素の前記第２の表面はそれぞれ、前記第１の取付ツール構成要素の前記第１の表面及び前記第２の取付ツール構成要素の前記第１の表面の反対側にある、請求項２に記載の方法。
- 前記第１の半導体構造及び前記第２の半導体構造の前記第１の表面及び前記第２の表面は、前記第２のチャックを前記第１のチャックに向かって動かすことによって、互いに完全に接触する、請求項３に記載の方法。
- 前記第２の距離は、１００マイクロメートル〜１５０マイクロメートルの範囲にある、請求項４に記載の方法。
- 前記結合することは、熱を加えること、圧力を加えること、電流を印加すること、又は電磁放射を加えることのうちの少なくとも１つを含む、請求項５に記載の方法。
- 前記第１の半導体構造の前記第２の表面及び前記第２の半導体構造の前記第２の表面は、真空によって、それぞれ前記第１の取付ツール構成要素の前記第１の表面及び前記第２の取付ツール構成要素の前記第１の表面と接触したまま保持される、請求項６に記載の方法。
- 前記結合する前に、前記取付ツールを前記固定された第１の半導体構造及び第２の半導体構造と共に前記アライナーから取り外すこと、及び
記取付ツールを前記固定された第１の半導体構造及び第２の半導体構造前と共にボンダー内に配置することをさらに含む、請求項１に記載の方法。 - 前記アライナーは前記ボンダーと一体に構成される、請求項８に記載の方法。
- 前記加えられた圧力をフォースフィードバックセンサーにより測定し、制御することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
- 加圧ガスを前記制御することは、前記加圧ガスの流量、圧力又は温度のうちの少なくとも１つを制御することを含む、請求項１０に記載の方法。
- 半導体構造を結合するための装置であって、
取付ツール内で、第１の半導体構造の第１の表面を、第２の半導体構造の第１の表面の真向かいに、かつ該第２の半導体構造の第１の表面から第１の距離に配置するための機器と、
前記第１の半導体構造の前記第１の表面及び前記第２の半導体構造の前記第１の表面を、サブミクロン位置合わせ精度まで、互いに平行に位置合わせするための機器と、
前記第１の半導体構造及び前記第２の半導体構造の前記位置合わせされた第１の表面を互いから第２の距離に動かすための機器であって、前記第２の距離は前記第１の距離未満である、機器と、
単一の点において終端するポートを通って流れる加圧ガスにより、加圧開始時に、前記単一の点に圧力を加えることによって、前記第１の半導体構造及び前記第２の半導体構造の前記位置合わせされた第１の表面を前記単一の点において原子接触させて、結合界面を形成するための機器と、
前記加圧ガスを制御することによって、前記第１の半導体構造の前記第１の表面及び前記第２の半導体構造の前記第１の表面の部分にわたって前記結合界面を径方向に伝搬するための機器と、
該加圧ガスの該圧力を低減すると共に、前記第１の半導体構造の前記第１の表面及び前記第２の半導体構造の前記第１の表面を互いに完全に接触させるための機器と、
前記取付ツール内で前記第１の半導体構造及び前記第２の半導体構造を互いに固定するための機器と、
前記固定された第１の半導体構造及び第２の半導体構造を結合するための機器と、
を備える、半導体構造を結合するための装置。 - 前記取付ツールは第１の取付ツール構成要素及び第２の取付ツール構成要素を備えており、前記第１の取付ツール構成要素の第１の表面は前記第１の半導体構造の第２の表面と接触するように配置され、前記第２の取付ツール構成要素の第１の表面は前記第２の半導体構造の第２の表面と接触するように配置され、前記第１の半導体構造の前記第２の表面及び前記第２の半導体構造の前記第２の表面はそれぞれ、前記第１の半導体構造の前記第１の表面及び前記第２の半導体構造の前記第１の表面の反対側にある、請求項１２に記載の装置。
- 前記アライナー機器は、向かい合って配置される第１のチャック及び第２のチャックを備えており、前記第１の取付ツール構成要素の第２の表面は前記第１のチャックと接触しており、前記第２の取付ツール構成要素の第２の表面は前記第２のチャックと接触しており、前記第１の取付ツール構成要素の前記第２の表面及び前記第２の取付ツール構成要素の前記第２の表面はそれぞれ、前記第１の取付ツール構成要素の前記第１の表面及び前記第２の取付ツール構成要素の前記第１の表面の反対側にある、請求項１３に記載の装置。
- 前記第１の半導体構造及び前記第２の半導体構造の前記第１の表面及び前記第２の表面は、前記第２のチャックを前記第１のチャックに向かって動かすことによって、互いに完全に接触する、請求項１４に記載の装置。
- 前記第２の距離は、１００マイクロメートル〜１５０マイクロメートルの範囲にある、請求項１５に記載の装置。
- 前記結合する機器は、熱を加えるための機器、圧力を加えるための機器、電流を印加するための機器、又は電磁放射を加えるための機器のうちの少なくとも１つを含む、請求項１６に記載の装置。
- 前記第１の半導体構造の前記第２の表面及び前記第２の半導体構造の前記第２の表面は、真空を用いて、それぞれ前記第１の取付ツール構成要素の前記第１の表面及び前記第２の取付ツール構成要素の前記第１の表面と接触したまま保持される、請求項１７に記載の装置。
- 前記結合する前に、前記取付ツールを該固定された前記第１の半導体構造及び前記第２の半導体構造と共に前記アライナー機器から取り外すための機器と、
前記取付ツールを該固定された前記第１の半導体構造及び前記第２の半導体構造と共にボンダー装置内に配置するための機器と、
をさらに備える、請求項１２に記載の装置。 - 前記アライナー機器は前記ボンダー装置と一体に構成される、請求項１９に記載の装置。
- 前記加えられた圧力をフォースフィードバックセンサーにより測定し、制御するための機器をさらに備える、請求項１２に記載の装置。
- 前記加圧ガスの流量、圧力又は温度のうちの少なくとも１つを制御するための機器をさらに備える、請求項２１に記載の装置。
- 半導体構造を結合するための方法であって、
第１の半導体構造の第１の表面を、第２の半導体構造の第１の表面の真向かいに、かつ該第２の半導体構造の第１の表面から第１の距離に配置すること、
前記第１の半導体構造の前記第１の表面及び前記第２の半導体構造の前記第１の表面をサブミクロン位置合わせ精度まで、互いに平行に位置合わせすること、
前記第１の半導体構造の第２の表面の単一の点において終端するポートを通って流れる加圧ガスにより、加圧開始時に、該第２の表面の単一の点に圧力を加え、前記第１の半導 体構造及び前記第２の半導体構造の前記位置合わせされた第１の表面を前記単一の点にお いて原子接触させて、結合界面を形成すると共に、前記第１の半導体構造の前記第１の表面を該第２の半導体構造の該第１の表面に向かって撓ませることであって、前記第２の表面は前記第１の表面の反対側にあること、
該第１の半導体構造の前記第２の表面に加えられる力を測定すること、
前記測定される力が設定された値に達するまで、前記第２の半導体構造の前記第１の表面を前記第１の半導体構造の前記第１の表面に向かって動かすこと、
前記第１の表面が原子接触し、結合界面が形成されるときに、前記結合界面が設定された速度で前記第１の表面にわたって径方向に伝搬するように、該第２の半導体構造が動く速度を制御すること、
を含む、半導体構造を結合するための方法。 - 半導体構造を結合するための方法であって、
第１の半導体構造の第１の表面を、第２の半導体構造の第１の表面の真向かいに、かつ該第２の半導体構造の第１の表面から第１の距離に配置すること、
前記第１の半導体構造の前記第１の表面及び前記第２の半導体構造の前記第１の表面を、サブミクロン位置合わせ精度まで、互いに平行に位置合わせすること、
前記第１の半導体構造の第２の表面の単一の点において終端するポートを通って流れる加圧ガスにより、加圧開始時に、前記第２の表面の単一の点に圧力を加え、前記第１の半 導体構造及び前記第２の半導体構造の前記位置合わせされた第１の表面を前記単一の点に おいて原子接触させて、結合界面を形成すると共に、前記第１の半導体構造の前記第１の表面を前記第２の半導体構造の前記第１の表面に向かって撓ませることであって、前記第２の表面は前記第１の表面の反対側にあること、
前記加えられる力が設定された値に達するまで、加圧ガスの該圧力を高めることによって、かつ／又は前記第２の半導体構造の前記第１の表面を前記第１の半導体構造の前記第１の表面に向かって動かすことによって、前記第１の半導体構造及び前記第２の半導体構造の前記位置合わせされた第１の表面を原子接触させると共に、結合界面を形成すること、及び
該加圧ガスの該圧力を制御することによって、かつ／又は該第２の半導体構造が動く速度を制御することによって、前記結合界面を、前記第１の半導体構造の前記第１の表面及び前記第２の半導体構造の前記第１の表面にわたって、設定された径方向速度で径方向に伝搬させること、
を含む、半導体構造を結合するための方法。 - 半導体構造を結合するための装置であって、
第１の半導体構造の第１の表面を、第２の半導体構造の第１の表面の真向かいに、かつ該第２の半導体構造の第１の表面から第１の距離に配置するための機器と、
前記第１の半導体構造の前記第１の表面及び前記第２の半導体構造の前記第１の表面を、サブミクロン位置合わせ精度まで、互いに平行に位置合わせするための機器と、
前記第１の半導体構造の第２の表面の単一の点において終端するポートを通って流れる加圧ガスにより、加圧開始時に、前記第２の表面の単一の点に圧力を加え、前記第１の半 導体構造及び前記第２の半導体構造の前記位置合わせされた第１の表面を前記単一の点に おいて原子接触させて、結合界面を形成すると共に、前記第１の半導体構造の前記第１の表面を前記第２の半導体構造の前記第１の表面に向かって撓ませるための機器であって、前記第２の表面は前記第１の表面の反対側にある、機器と、
前記加えられる力が設定された値に達するまで、前記加圧ガスの該圧力を高めることによって、かつ／又は前記第２の半導体構造の前記第１の表面を前記第１の半導体構造の前記第１の表面に向かって動かすことによって、前記第１の半導体構造及び前記第２の半導体構造の前記位置合わせされた第１の表面を原子接触させると共に、結合界面を形成するための機器と、
該加圧ガスの該圧力を制御することによって、かつ／又は該第２の半導体構造が動く速度を制御することによって、前記結合界面を、前記第１の半導体構造の前記第１の表面及び前記第２の半導体構造の前記第１の表面にわたって、設定された径方向速度で径方向に伝搬させるための機器と、
を含む、半導体構造を結合するための装置。
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