WO2015113641A1 - Verfahren und vorrichtung zum bonden von substraten - Google Patents

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WO2015113641A1
WO2015113641A1 PCT/EP2014/052037 EP2014052037W WO2015113641A1 WO 2015113641 A1 WO2015113641 A1 WO 2015113641A1 EP 2014052037 W EP2014052037 W EP 2014052037W WO 2015113641 A1 WO2015113641 A1 WO 2015113641A1
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substrates
bonding
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Friedrich Paul Lindner
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Definitions

  • the present invention relates to a method for bonding a first contact surface of a first substrate to a second contact surface of a second substrate according to patent claim 1 and to a corresponding device according to patent claim 9.
  • Alignment devices are known in which the alignment of the substrates to one another takes place under normal atmosphere. The aligned substrates are still in the
  • the heat sources together with associated printing plates are located above or below the substrates to be bonded.
  • the upper heat source and the upper pressure plate are designed to be movable.
  • the bottom heat source and the sample holder at the bottom of the high vacuum bonding device are static. In the alignment device, the two become one another
  • the object of the present invention is therefore to specify a method with which the bonding result is improved.
  • the basic idea of the present invention is to attach the substrates of
  • the invention describes a modularized device and a process chain, which makes it possible to realize an alignment device for aligning and temporarily connecting two or more substrates to a substrate stack. In doing so, they are the ones here
  • the substrates are permanently and inseparably (ie permanently) joined (bonded), without the substrates excessive or different strains and
  • the alignment device is designed so that
  • Connecting elements are provided which hold the substrate stack temporarily.
  • the fasteners are after bonding
  • the substrate stack is processed within a vacuum transfer line in one embodiment of the invention to improve the bonding result with one or more surface gas and / or moisture reducing means.
  • the invention relates to a device and a method by which the substrate stack is or can be heated symmetrically.
  • a plane of symmetry are used in particular the contacted contact surfaces of the substrates of the substrate stack.
  • the substrate stack is heated equitherm from both sides.
  • the invention is therefore particularly concerned with a method and apparatus for heating and bonding a substrate stack.
  • the heating is preferably symmetrical, in particular by infrared radiation.
  • the components according to the invention are part of a system, in particular a modularized system, in particular of a high-vacuum cluster. in the
  • High vacuum cluster is a process chain up to the bonding of a
  • the sensitive handling relates in particular to a uniform, in particular symmetrical, heat input into the substrates to be treated by means of different heating zones, which are preferably provided by an upper, dynamically displaceable heating device and associated heating element
  • Sample holder and a lower, in particular rigid or
  • heating device is reached.
  • a particularly gentle bonding process is made possible by controlled bringing the upper heater against the lower heater.
  • Vacuum transfer line with a vacuum transfer chamber, in particular a high vacuum transfer chamber processed Vacuum transfer line with a vacuum transfer chamber, in particular a high vacuum transfer chamber processed.
  • the symmetrical heating serves the uniform (ie homogeneous) heating through from both sides of the substrate stack.
  • the heating rate defines by how many degrees the substrate heats up per unit of time.
  • the heating rate is set to a value between 1 ° C / min and 1000 ° C / min. Smaller heating rates would be possible, but are no longer at the desired temperatures
  • Heating rates greater than 1000 ° C / min would heat the substrates so fast that damage to the substrates and / or registration errors between the substrates may occur.
  • the heating power gives the
  • the heating power is through
  • heating elements applied which are mainly operated electrically. Under the assumption of ideal conditions, therefore no losses and a 100% conversion of the introduced electrical energy into heat energy, a
  • the heating power corresponds to the energy introduced into a substrate per unit of time.
  • the introduced energy corresponds in particular to the heat introduced.
  • the heat necessary to heat a body from an initial temperature to a final temperature is the product of the overcoming
  • Temperature difference, specific heat capacity and mass of the body can be calculated for a given density and dimensions. Substrates are preferably round, and very often
  • Temperature difference is to be overcome, divided. This results in the heating power.
  • the electrical power is then selected accordingly. Since not all the electrical power is converted into thermal power, the actual electrical power to be introduced is chosen correspondingly higher in order to compensate for the power loss.
  • the table shows the minimum electrical power required to form a silicon substrate with a diameter of 200 mm and a thickness of 725 ⁇ in the specified times from 25 ° C to 525 ° C to heat. The actual electrical power will be greater due to power losses.
  • the electrical power of the heater used is
  • the pressurization of the first substrate is effected in particular by a first pressure surface of a first pressure plate, which is preferably simultaneously the first heating surface.
  • the pressurization of the second substrate is effected in particular by a second pressure surface of a second pressure plate, which preferably at the same time the second
  • Heating surface is.
  • the substrates to be bonded consist of materials which reflect the thermal radiation very strongly and thus considerably slow down or impede a desired heat input, the recipes are adapted accordingly. Conversely, however, would also be an increased absorption of thermal radiation by correspondingly strong
  • the device according to the invention is in particular capable of
  • Heat-influencing factors in particular by sensors, to recognize and take into account in the process flow and / or nation Kunststoffn at subsequent steps or subsequent stacks of substrates.
  • the device according to the invention also makes it possible in a preferred manner to treat the substrates advantageously by convection and / or different heating zones, so that a uniform heat input is achieved.
  • the heating of the substrates is preferably carried out via
  • Convection of a gas introduced into the bonding device in particular into the sample holder, more preferably a studded sample holder (in particular disclosed as an independent aspect of the invention). While the gas provides the heat transfer by convection, the bonding device is evacuated, so that in the bonding chamber, a pressure of less than 1 0 "2 mbar, more preferably less than 10" mbar adjusted, preferably continuously. The introduction of the gas takes place in particular before and / or during an evacuation of
  • the gas can be passed from the outside, preferably through a line of the sample holder and / or a pressure plate to the substrate stack and / or sample holder or pressure plate.
  • the gas is distributed due to the defined topography optimally between the substrate holder and / or the pressure plate and the substrate stack.
  • Substrate stack and (knob) sample holder is rinsed. By rinsing the pressure applied in the bonding chamber by the vacuum device is correspondingly reduced.
  • both substrates consist of the same material
  • the two substrates are preferably tempered at the same temperature.
  • the heaters are thus controlled during heating and approaching such that, at least during the predominant duration of the approach, the difference between the average temperature of the first substrate and the mean temperature of the second substrate is less than 5 ° C., in particular less than 1 ° C. , preferably less than 0.5 ° C, more preferably less than 0.1 ° C. Should the two to each other
  • aligned substrates are made of the same material, but have different thicknesses, it may happen that the
  • Temperature change in one of the two substrates proceeds more slowly than in the other substrate, in particular that with the smaller thickness. In such a situation, it can therefore during the heating process despite the same
  • Substrates in particular the thermal expansion coefficient or the thermal expansion tensor and / or the thermal conductivity and / or the heat capacity, be different, it comes to an unwanted Displacement of the substrates to each other.
  • the heating devices are controlled during heating and approaching such that, at least during the predominant duration of the approach, the difference between the average temperature of the first substrate and the average temperature of the second substrate is greater than 0..1 ° C., in particular greater than 0.5 ° C. , Preferably greater than 1 ° C, more preferably greater than 5 ° C, is to compensate for the difference in the thermal expansions of the two substrates, so that the orientation is as well as possible.
  • the thermal expansion coefficient of silicon is for example in the range of 2.6 10 "6 K " 1 . If both substrates are made of the material silicon, both have the same (averaged) thermal expansion coefficient (assuming that both Substrates have the same crystal orientation most of which can be assumed, since most silicon wafers have a crystallographic (100) orientation and assuming that the thermal
  • a receiving device for receiving the substrate stack is provided at least during the bonding.
  • the receiving device is particularly suitable, the substrate stack, in particular on the circumference or in a
  • Peripheral area record. More preferred is the
  • Receiving device adapted to hold the substrates together at the contact surfaces and to hold in the aligned position until the substrates are bonded.
  • the receiving device in particular the
  • Nub sample holder preferably only contacts or contacts a small portion of the surfaces of the substrates facing away from the contact surfaces.
  • the receiving device preferably covers the surfaces of the substrates
  • Radiation heat to be acted upon surface of the substrates hardly or not at all.
  • the majority, in particular at least%, preferably at least 90%, of the surfaces of the substrates is exposed to the heating surfaces of the heating means arranged at a distance therefrom.
  • Recording device can be omitted. Another aspect of the embodiment according to the invention is that heating of the substrate stack on both sides, at least predominantly at least during heating to the bonding temperature
  • Heat convection introduced heat output too As soon as the heating surfaces, preferably simultaneously, contact the respective surface of the substrates, the heat output is transmitted at least partially, preferably predominantly, by heat conduction between the surfaces and the heating surfaces.
  • the bonding temperature is at least% achieved before the heat conduction and / or pressurization takes place.
  • a possible heat convection from above and below has the advantage that existing unevenness which complicates a uniform and advantageous heating of the substrates can be greatly reduced or completely excluded during the bonding process.
  • the contact surfaces of the knobs may be formed in particular cambered in order to further reduce the contact surface of the heating surfaces to the surfaces of the substrates.
  • the nub surface is in a preferred embodiment
  • Process-accelerating measures such as the contamination-reducing automated transfer of aligned in the alignment unit substrates through a within a vacuum transfer line
  • Receiving device in particular in the form of a support, the one
  • this receiving device can additionally be subjected to an electrostatic force in order to further increase the holding forces of the process robot.
  • the alignment upstream and / or downstream processes such as the tempering of the substrates are to be regarded as an advantageous embodiment of the invention to discharge surface gases and / or moisture prior to introduction into the vacuum bonding device and thus to improve the bonding result.
  • a continuous treatment from alignment to bonding is disclosed in a vacuum that continues through all, in particular modularized, components, in particular high vacuum, in which both impurities and reactions of the substrate material, in particular oxidation, are largely excluded ,
  • Another advantage of the embodiments of the invention is the increase in the precision of a conducted bond.
  • Positioning accuracy of several structures of the substrates to each other is not lost by the heat treatment in the bonder.
  • Deformations occur in the prior art in particular in that inhomogeneously heated substrate stack, for example, due to substrates of different materials and thus different thermal expansion coefficients, move or deform before the bonding process is completed, so the process of pressurization begins or takes place.
  • the invention allows the maintenance of the alignment accuracy of the alignment device between several
  • the invention in particular less than 10 ⁇ , with preference smaller than 1 ⁇ , more preferably less than 1 00 nm, most preferably less than 10 nm.
  • the embodiment of the invention allows in isothermal operation, an increase in throughput, since the heater and thus the sample holder and the printing plates are preferably not constantly heated and cooled, but, in particular at least predominantly, preferably exclusively, by changing the position of a temperature change on the substrate stack can effect.
  • Components of the bonder, in particular at least one of the printing plates, can virtually move at full bonding temperature into a stand-by position and wait there for the next stack of substrate without having to be cooled.
  • a nub sample holder in particular also as a pressure plate and / or heating surface, is preferably used according to the invention, which minimizes the effective contact surface with the substrates even when pressurized.
  • the contact surface of the dimpled sample holder according to the invention is in particular less than 90%, preferably less than 50%, more preferably less than 25%, most preferably less than 5%, most preferably less than 1% of the substrate surface.
  • the device according to the invention consists in particular of a modular device / system, which in a first embodiment consists of at least three independently controllable modules, namely an alignment unit, a vacuum transfer line with integrated handling device, in particular the process robot for handling substrates , as well as a bonding unit.
  • a modular device / system which in a first embodiment consists of at least three independently controllable modules, namely an alignment unit, a vacuum transfer line with integrated handling device, in particular the process robot for handling substrates , as well as a bonding unit.
  • some modules can be provided several times for acceleration and parallel processing.
  • the substrates are preferably wafers.
  • the wafers are standardized semiconductor substrates with well-defined, standardized ones
  • the substrates can have any desired shape.
  • the substrates may be rectangular or round. If the substrates are round, the diameters of the substrates can also be of any size, but usually have one of the standard
  • Embodiments however, predominantly on wafers.
  • the substrates are aligned with each other and form one
  • the substrate stack consists of at least two substrates. However, it is also possible for more than two, preferably more than five, more preferably more than ten, most preferably more than 15 substrates to be aligned with one another and temporarily connected to form a substrate stack.
  • the substrates can be made of any material. Preferably, these are materials used in the semiconductor industry. These include preferably semiconductors such as silicon, germanium, glasses such as quartz, semiconductor heterostructures such as GaAs or
  • Ceramics Also conceivable would be the use of polymer substrates or metal substrates.
  • the thicknesses of the substrates vary between 10000 ⁇ and 50 ⁇ , wherein substrates are produced with correspondingly small thickness by grinding and polishing processes to the respective thickness.
  • product substrates have high thicknesses, whereas
  • Product substrates are increasingly thinned to achieve a correspondingly high packing density of functional units on the product substrates by stacking.
  • the thickness of a carrier substrate is greater than 200 ⁇ , with preference greater than 500 ⁇ , with greatest preference greater than 700 ⁇ , with utmost preference greater than ⁇ ⁇ .
  • the thickness of one Product substrate is less than 1000 ⁇ , with preference smaller than 500 ⁇ , with greater preference less than 1 00 ⁇ , with very great preference less than 50 ⁇ .
  • the alignment unit is also equipped with a device for receiving and fixing the substrates, which allows to fix substrates after alignment with each other.
  • the alignment unit comprises a device which allows substrates to be aligned with one another and thus temporarily fixed with a fixing agent such that transport from the alignment unit via a vacuum transfer path to another module, in particular a bonding device, is possible without this transport adversely affects the aligned substrates.
  • the fixing unit is a device for the magnetic fixing of the substrate stack, as described in the publication PCT / EP 201 3/056620, to which reference is made in this respect.
  • the clamping can alternatively be done by mechanical clamps which clasp the sides of the substrates in a small peripheral portion and need not be fixed to a sample holder. It would also be conceivable to fix the substrates
  • the individual modules are in particular with
  • Connection locks are provided which are located at the respective transitions to the individual modules and with which it is possible to create defined atmospheres which positively influence the further process.
  • a lock is an area, in particular a space, which is connected by two lock gates of two further, separate, but connected to the lock, areas, in particular rooms. Access from and / or from the lock in and / or from one of the two rooms takes place through lock gates.
  • the floodgates are
  • lock gates are designed in particular as valves or gate valves (gate gate).
  • gate gate gate valves
  • Heating which makes it possible to preheat substrates to be bonded in order to subsequently pass them to the vacuum chamber module in a temperature-controlled manner.
  • the time-intensive heating of the heating devices of the bonding device is significantly shortened, which has a direct effect on the expected throughput.
  • the substrates may preferably before being introduced into the alignment unit > 100 ° C are heated.
  • the free path for molecules on the surface can be maximized.
  • the substrates can be heated at a great distance from a chamber wall (> 1 cm,> 5 cm,> 10 cm).
  • the resulting large free path promotes the removal of foreign atoms and gases from the surface of the substrates.
  • the temperatures preferably fall back to room temperature.
  • the alignment of the substrates takes place in the alignment unit, in particular under high vacuum conditions, which preferably correspond substantially to the pressure conditions in the bonding device.
  • Alignment of the substrates is an automated transport via a process robot from the alignment unit towards a
  • Vacuum transfer module in which preparatory measures for the planned during the process of bonding can be made.
  • Vacuum transfer line module in the bonding module the substrate stack is placed by the robot on extendable loading pins. Direct contact between the loading pins and the substrate stack is only partial.
  • a maximum of thirty, preferably less than 20, more preferably less than 10, most preferably less than 5, most preferably exactly three, loading pins are used.
  • the substrate stack to be bonded thus floats between a first heating surface and pressure plate, which can be moved dynamically to the substrates, and a, in particular static, second heating surface. Both the first (especially upper) and the second (especially lower) heating and
  • the first heating surface and pressure plate can be brought to the substrates both symmetrically and asymmetrically. In an asymmetric heating of the substrate is the distance even during a dynamic bringing the first heating surface and pressure plate to the substrate in the substrate receiving the same unequal to the distance of the second heating surface and pressure plate to the located between the first and second heating surface substrate receptacle or to be heated surfaces of the substrates.
  • Substrate stack during the loading process is in particular greater than 1 mm, with preference greater than 5 mm, more preferably greater than 10 mm, most preferably greater than 30 mm.
  • the temperatures of the first and / or second heating surface during the loading process are in particular greater than 25 ° C, preferably greater than 1 00 ° C, more preferably greater than 300 ° C.
  • the heating rate of the substrate stack is determined in particular by the distances A of the first heating surface and / or B of the second heating surface relative to
  • This process according to the invention works in particular when the heating of the substrate stack is at least predominantly, preferably exclusively, by heat radiation, not by heat convection. In particular, this has
  • Pressure plate to the substrates equal to the distance B of the second, in particular static, second heating surface. This is achieved in particular by controlled and in particular continuous bringing both the first heating surface to the second heating surface, wherein at the same time also the recording device receiving the substrate stack is brought to the second heating surface.
  • the first heating surface is moved exactly twice as fast as the substrate stack to the second heating surface.
  • the receiving device remains stationary with the substrate stack and the two heating surfaces move, in particular at the same speed and under the same conditions
  • the most important parameters are the type of material, thickness, heating temperature and bonding process.
  • the asymmetric approach or positioning has especially the
  • the substrate having the larger coefficient of thermal expansion is heated to a lower temperature than the substrate having the lower one
  • thermal expansion coefficient This can be done according to the invention by different temperatures at the first heating surface and the second heating surface and / or by different distances A and B.
  • a further, inventive aspect is that a gas inlet between the contact surfaces of the substrate stack after contacting the first pressure plate and the second pressure plate or the sample holder is prevented with the substrate stack and then a gas in the
  • Bonder is initiated. This spreads between the rough surface of the substrate stack and the sample holder or the printing plates and thermally closes the surface irregularities.
  • thermal closing is meant that the gas introduced serves as a heat exchanger to heat from the heaters on the
  • the gas pressure between sample holder and substrate stack is in particular> 0.01 mbar, with preference> 0.1 mbar, with great preference> 1 mbar, with very great preference> 3 mbar.
  • This gas pressure is achieved in particular by small amounts of gas (flow rate),
  • sccm preferably> 1 sccm, more preferably> 5 sccm, even more preferably> 20 sccm.
  • a force acts on the substrate stack, which prevents a lateral displacement.
  • the applied bonding forces are preferably between 1 N and 200kN, more preferably between 1 kN and 1 OOkN.
  • nub sample holder is preferred (independent aspect of the invention). Under a Noppenprobenhalter one understands a sample holder, whose
  • the height of the dimples is in particular less than 1 mm, preferably less than 0. 1 mm, more preferably less than 0.01 mm, most preferably less than 0.001 mm.
  • the pressure plate nubs so that it is the printing plate to a Noppdruckplatte, which has the same inventive property as the Noppenprobenhalter.
  • At least one of the heating devices preferably at the same time as a sample holder
  • a multi-zone heating surface trained, a multi-zone heating surface. These zones the heating surface can preferably be controlled individually.
  • the zones of the heater are preferably concentric to each other positioned circular rings. By targeted activation of the zones can be resolved locally
  • Temperature profiles are generated.
  • the number of zones is greater than 1, more preferably greater than 5, more preferably greater than 10, most preferably greater than 20, most preferably greater than 50, most preferably greater than 100.
  • the modules are independent of each other, in particular stepless, adjustable.
  • the individual modules can also be operated without a vacuum, ie with normal pressure.
  • atmospheric synchronization of two adjacent modules is possible to allow for accelerated moving of substrates from a module to a module downstream of the process
  • Alignment device and / or within the bonding device is in particular less than 1 mbar, with preference less than 1 0 "3 mbar, more preferably less than 10 ° mbar, most preferably less than
  • Vacuum cluster with exactly two attached modules a schematic plan view of a second embodiment of a vacuum cluster with seven modules attached, a schematic cross section of an embodiment of a bonding device according to the invention before loading a substrate stack, a schematic cross section of the embodiment of FIG 2 when depositing the substrate stack on loading pins, a schematic cross section of the embodiment of FIG when removing a robot arm from
  • Substrate stack a schematic cross section of the embodiment of Figure 2 in the removal of the robot arm from the module, a schematic cross section of the embodiment of Figure 2 in the symmetrical heating of the substrate with two heaters, a schematic cross section of the embodiment of Figure 2 in the symmetrical approximation of
  • FIG. 9 shows a schematic cross section of the embodiment according to FIG. 2 in the symmetrical contacting of the FIG
  • Figure 10 is a side view of a cross-section of the environment of a
  • Figure. 1 1 is a top view of a Noppenprobenhalters invention and.
  • Figure. 12 is a top view of a Noppendruckplatte invention.
  • FIG. 1a shows a schematic plan view of one, in particular as
  • the system 38 consists of exactly two modules attached to a vacuum transfer chamber 4, a module with an alignment device 1 and a module with a bonding device 6 according to the invention.
  • a robot 34 in particular designed as a process robot, removes it (identical here) substrates 35, 36 from a loading container 39 and transports the first substrate 35 and the second substrate 36, in particular simultaneously, along a vacuum transfer line 5 in the alignment unit. 1
  • the loading container 39 may in particular also be a lock or act as such.
  • the two substrates 35, 36 are aligned with one another and fixed on a first contact surface 35k of the first substrate 35 and a second contact surface 36k of the second substrate 36 to form a substrate stack 14, in particular temporarily.
  • an alignment unit could be
  • the robot 34 subsequently transports the fixed and aligned substrate stack 14 into the bonding device 6, in particular by receiving it on a first surface 35 o of the first substrate 35 or on a second surface 36 o of the second substrate 36.
  • the surfaces 35 o, 36 o are in each case of the contact surfaces 35k, 36k turned away.
  • the system 38 ' accordinging to FIG. 1b shows a vacuum cluster consisting of several modules connected by a vacuum transfer chamber 4'.
  • the modules can differ in their functionality.
  • modules for heating or cooling are conceivable
  • Coating modules with spin coaters or spray coaters, Bonder 1 and Debonder, Coating Modules, Alignment Modules 6.
  • the modules preferably have a circular or star shape around them
  • Vacuum transfer chamber 4 ' arranged.
  • the vacuum transfer chamber 4 ' is connected via valves 2 to the various modules.
  • the modules as well as the vacuum transfer chamber 4 ' can be evacuated independently of one another by the valves 2, but are always preferably at the same vacuum level, preferably the high-vacuum level of the bonding device 6.
  • the bonding device 6 is shown in Figures 2 to 9 in different
  • the bonding device 6 is constructed on a static support structure 23 in the form of a base plate and pillars fixed on the base plate. On the columns, the bonding chamber 1 0 is fixed.
  • the bonding chamber 10 has a closable with the valve 2
  • the valve 2 is formed from a sluice drive 24 supported on the base plate, in particular in the form of an actuator.
  • Lock drive 24 is used to open and close one of the
  • the valve 2 has seals 28 for sealing the bonding chamber 10 from the environment in the
  • the receiving device 18 includes a substrate support with a support plane E, on which the substrate stack 14 is deposited with the second surface 36o, so that the second surface 36o in the support plane E lies.
  • the substrate support is formed by at least two loading pins 21 passing through the bonding chamber 10, four in the embodiment shown
  • seals 20 sealed from the environment of the bonding chamber 10.
  • the seals 20 simultaneously serve as sliding,
  • the loading pins 2 1 are preferably mechanically coupled to one another by the positioning plate 21 p and are replaced by a p on the positioning plate 21, in particular a centric, acting actuator 22, preferably in the form of a single, alternatively by means of several Beladestattaktuator (s),
  • a second heating device 26 for heating the second surface 36 o and a second pressure plate 25, which is fixed on the second heating device 26, in particular over the entire surface, are arranged.
  • the second pressure plate 25 has a second heating surface 19, which can be arranged below the support plane E parallel to this.
  • the heating device 26 and the pressure plate 25 are fixedly connected to the bonding chamber 10 and static, so not against the support plane E movable.
  • first heating surface 15 Opposite to the second heating surface 19 is a first heating surface 15 parallel to the support plane E and above this can be arranged.
  • Heating surface 1 5 is arranged on a first pressure plate 29, which in turn is fixed to a first heating device 30, in particular over the entire surface.
  • the heater 30 is adjustable by drive means transverse to the support plane.
  • the heating device 30 at a bonding chamber 10th is adjustable by drive means transverse to the support plane.
  • the control rod is on the
  • Heater 30 opposite end of a position actuator 8 for controlling the position, in particular a distance A of the first
  • Heating surface 15 to the first surface 35 o the first heating surface 1 5 moves.
  • pressurization in particular after contacting the first surface 35o with the first heating surface 15 and the contacting of the second surface 36o with the second heating surface 19, one serves
  • the bonding chamber 10 is by the drive means
  • the drive means are suspended on a support structure 7, consisting of a ceiling plate and the ceiling plate bearing columns.
  • a support structure 7 consisting of a ceiling plate and the ceiling plate bearing columns.
  • the robot 34 with the substrate stack 14 is moved into a bonding chamber 10 of the bonding device 6, in particular introduced.
  • the receiving device 1 8 according to the invention for receiving the substrate stack 14 is at an initial height.
  • the substrate stack 14 is preferably positioned symmetrically with respect to the first heating surface 15 and the second heating surface 29 relative to the contact surfaces 35k, 36k.
  • the positioning of the substrate stack 14 takes place in a position such that the fixings 11 for fixing the substrate stack, in particular
  • Magnetic clamps 1 1, during the subsequent collapse of the heating surfaces 1 5, 1 9 exactly in designated recesses of the printing plates 25, 29 can be added.
  • the substrate stack 14 is loaded as centrally as possible to the loading pins 21 and positioned in order to prevent slipping or slipping.
  • a third step according to the invention according to FIG. 4 the robot 34 is removed from the substrate stack 14 so that the substrate stack 14 rests on the loading pins 21.
  • the second top 36o is now in the
  • Support level E In a fourth inventive step according to Figure 5, the distance of the robot 34 from the bonding chamber 1 0 and the closing of the ⁇ lock 27. According to take place to sealing, the interior of the bonding device 6 will be evacuated via a pump 16 to a higher vacuum, should the in the adjacent vacuum transfer chamber 4 prevailing vacuum to be set too low for the bonding process.
  • the heating is carried out by the heaters 26, 30 and generated via the heating surfaces 1 5, 19 as radiant heat 17 delivered
  • Heating devices 26, 30 are controlled with the same power and the same parameters and the pressure plates 25, 29 have the same or at least very similar properties and geometries / dimensions.
  • the substrate stack 14 is in particular not the entire surface through a
  • Another serious advantage is that the contact of the two substrates 35, 36 of the substrate stack 14 with both heating surfaces 1 5, 19 is avoided, at least during the heating process.
  • Sample holder is static and does not move. Rather, the loading pins 2 1 by means of Beladestattaktuatoren 22 on the first heating surface 1 to 5 moves. At the same time, the first heating surface 15 moves towards the second heating surface 19 and the substrate stack 14.
  • the first heating surface is moved at twice the speed of the loading pins 21.
  • another speed profile would also be conceivable in order to realize a targeted distance function and thus a temperature function on the substrate stack and thus an at least partially asymmetrical approximation.
  • a seventh step according to the invention according to FIG. 8 the contacting of the heating surfaces 15, 19 with the substrate stack 14 takes place.
  • the force applied by the position actuator 8 is sufficient to cause the Both substrates 35 and 36 press so strongly on each other that the friction force thus generated a mutual displacement along the
  • the bonding device 6 can be purged with gas.
  • the gas is passed through conduits within the second
  • Pressure plate 25 and / or first pressure plate 29 introduced and distributed when using a first pressure plate 29 and / or second pressure plate 30 with nubs 37 and one on the pressure plates applied additional Noppentikplatte 42, 42 'between the nubs 37 in flow channels 32nd
  • Gas supplied between the nubs 37 may be retained by a ridge 40 located at the edge of the pressure plate 25, 29 and containing the nubs 37 and extending over the entire radial edge region.
  • the web closes in particular with a form-fitting with the
  • processing substrate 35, 36 at its peripheral edge.
  • the passage 41 is advantageously smaller than 10 .mu.m diameter, with preference smaller than 7 .mu.m, with greater preference smaller than 5 .mu.m.
  • FIG. 12 shows a schematic, not to scale, schematic top view of the nubs pressure plate 42 fixed on the first pressure plate 29 with a plurality of nubs 37 with a nub height H.
  • the density of the nubs 37 is kept very small in FIGS. 11 and 12 in order to increase the clarity increase.
  • the dimpled printing plates 42, 42 'each have at least 50, in particular regularly and / or equally distributed, dimples 37, more preferably at least 100, more preferably at least 200, even more preferably at least 400.
  • Figure 1 1 shows a schematic sectional view along section line A-A of Figure 10 with the second pressure plate 25 with the Nopptikplatte 42 '.
  • Substrates 35, 36 rests on the nubs 37, whereby the probability of contamination of the substrates 35, 36 is reduced.
  • the distances A and B are reduced to zero, so that a contact between heating surfaces 1 5, 19 of the Noppendruckplatten 42, 42 'and the surfaces 35 o, 36 o consists.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine korrespondierende Vorrichtung zum Bonden einer ersten Kontaktfläche (35k) eines ersten Substrats (35) mit einer zweiten Kontaktfläche (36k) eines zweiten Substrats (36) mit folgenden Schritten, insbesondere folgendem Ablauf: - Anordnung eines aus dem ersten Substrat (35) und dem zweiten Substrat (36) gebildeten, an den Kontaktflächen (35k, 36k) ausgerichteten Substratstapels (14) zwischen einer ersten Heizfläche (15) einer ersten Heizeinrichtung (30) und einer zweiten Heizfläche (19) einer zweiten Heizeinrichtung (26), wobei e) die erste Heizfläche (15) einer von der ersten Kontaktfläche (35k) abgewandten ersten Oberfläche (35o) des ersten Substrats (35) zugewandt angeordnet wird, f) die zweite Heizfläche (19) einer von der zweiten Kontaktfläche (36k) abgewandten zweiten Oberfläche (36o) des zweiten Substrats (36) zugewandt angeordnet wird, g) zwischen der ersten Oberfläche (35 o) und der ersten Heizfläche (15) ein Abstand A > 0μm vorliegt und h) zwischen zweiten Oberfläche (36o) und der zweiten Heizfläche (19) ein Abstand B > Ομm vorliegt, - Heizen der Heizflächen (15, 19) und Annähern des Substratstapels (14) an die Heizflächen (15, 19) durch Verringerung der Abstände A und B auf 0μm, Ausbildung eines Bonds zwischen der ersten Kontaktfläche (35k) und zweiten Kontaktfläche (36k) durch Druckbeaufschlagung des Substratstapels (14) an den Oberflächen (35o, 36o).

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Bonden von Substraten
B e s c h r e i b u n g
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bonden einer ersten Kontaktfläche eines ersten Substrats mit einer zweiten Kontaktfläche eines zweiten Substrats gemäß Patentanspruch 1 sowie eine korrespondierende Vorrichtung gemäß Patentanspruch 9.
Bekannt sind Ausrichtungseinrichtungen, bei welchen die Ausrichtung (engl. : Alignment) der Substrate zueinander unter normaler Atmosphäre stattfindet. Die zueinander ausgerichteten Substrate werden noch in der
Ausrichtungseinrichtung temporär miteinander fixiert und anschließend zu einer Hochvakuumbondeinrichtung transferiert und dort unter Vakuum permanent gebondet, wobei die zum Bonden notwendige Temperatur durch Wärmequellen erzeugt wird.
Die Wärmequellen nebst dazugehörigen Druckplatten befinden sich oberhalb bzw. unterhalb der zu bondenden Substrate. Die obere Wärmequelle und die obere Druckplatte sind bewegbar ausgeführt. Die untere Wärmequelle und der Probenhalter am Boden der Hochvakuumbondeinrichtung sind statisch ausgeführt. In der Ausrichtungseinrichtung werden die beiden zueinander
auszurichtenden Substrate auf einem Probenhalter (engl. : bond chuck) fixiert. Die Fixierung erfolgt dabei meistens mit mechanischen Klemmen. Die auf dem Probenhalter aufgenommenen und zueinander ausgerichteten Substrate werden anschließend zur Hochvakuumbondeinrichtung transportiert. Der Probenhalter wird auf der unteren Wärmequelle abgelegt.
Auf Grund der immer kleiner werdenden Strukturen wirken sich durch die thermische Einwirkung auftretende Verformungen der Substrate negativ auf das Bondergebnis aus.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren anzugeben, mit dem das Bondergebnis verbessert wird.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen der Patentansprüche 1 und 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen auch sämtliche
Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren angegebenen Merkmalen. Bei angegebenen
Wertebereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart gelten und in beliebiger Kombination beanspruchbar sein.
Die Grundidee der vorliegenden Erfindung ist es, die Substrate des an
Kontaktflächen der Substrate ausgerichteten Substratstapels zum,
insbesondere permanenten, Bonden in der Bondeinrichtung schonend und gleichmäßig von beiden zu heizenden Oberflächen (die von den
Kontaktflächen abgewandten Seiten) der Substrate aus aufzuheizen, um, insbesondere unterschiedliche, Verformungen der beiden Substrate zu minimieren oder ganz zu vermeiden. Die Erfindung beschreibt insbesondere eine modularisierte Vorrichtung sowie eine Prozesskette, welche es ermöglicht, eine Ausrichtungseinrichtung zur Ausrichtung und zum temporären Verbinden von zwei oder mehr Substraten zu einem Substratstapel zu realisieren. Dabei werden die hierin
ausgerichteten Substrate unter Berücksichtigung eines besonders sensitiven Umgangs über eine Hochvakuumtransferstrecke (also ohne Unterbrechung des Vakuums) zu einer Bondeinrichtung überführt. In dieser werden die Substrate dauerhaft und untrennbar (also permanent) zusammengefügt (gebondet), ohne die Substrate übermäßigen oder unterschiedlichen Dehnungen und
Verzerrungen auszusetzen.
Bevorzugt wird die Ausrichtungseinrichtung so ausgeführt, dass zur
Fixierung des Substratstapels in der Ausrichtungseinheit vor der Überführung in eine Bondeinheit den Substratstapel nicht kontaminierende
Verbindungselemente vorgesehen sind, die den Substratstapel temporär zusammenhalten. Die Verbindungselemente sind nach dem Bonden
rückstandslos entfernbar.
Der Substratstapel wird innerhalb einer Vakuumtransferstrecke in einer Ausführungsform der Erfindung zur Verbesserung des Bondergebnisses mit einer oder mehreren Einrichtungen zur Reduktion von Oberflächengasen und/oder Feuchtigkeit bearbeitet.
Im Besonderen handelt die Erfindung von einer Anlage bzw. Vorrichtung und einem Verfahren, mit dem der Substratstapel symmetrisch erwärmt wird bzw. werden kann. Als Symmetrieebene dienen insbesondere die kontaktierten Kontaktflächen der Substrate des Substratstapels. Mit anderen Worten wird der Substratstapel von beiden Seiten äquitherm erhitzt.
Die Erfindung handelt demnach insbesondere von einem Verfahren und einer Vorrichtung zum Heizen und Bonden eines Substratstapels. Das Heizen erfolgt vorzugsweise symmetrisch, insbesondere durch Infrarotstrahlung. Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung sind die erfindungsgemäßen Bauteile Bestandteil einer, insbesondere modularisiert aufgebauten, Anlage, insbesondere eines Hochvakuumclusters. Im
Hochvakuumcluster ist eine Prozesskette bis zum Bonden eines
Substratstapels durchführbar. Im Hochvakuumcluster wird besonderes Augenmerk auf den sensitiven Umgang mit den zu bondenden Substraten gelegt. Der sensitive Umgang betrifft insbesondere eine gleichmäßige, insbesondere symmetrische, Wärmeeinbringung in die zu behandelnden Substrate durch unterschiedliche Heizzonen welche bevorzugt durch eine obere dynamisch verschiebbare Heizeinrichtung und dazugehörigem
Probenhalter (engl. : chucks) und eine untere, insbesondere starre bzw.
statische, Heizeinrichtung erreicht wird.
Bevorzugt wird durch kontrolliertes Heranführen der oberen Heizeinrichtung gegen die untere Heizeinrichtung ein besonders schonender Bondprozess ermöglicht.
Die erfindungsgemäßen Prozessschritte werden bevorzugt unter
Beibehaltung/Aufrechterhaltung des in der Ausrichtungseinheit erzeugten Vakuums, insbesondere auch bei dem Transport durch die
Vakuumtransferstrecke mit einer Vakuumtransferkammer, insbesondere einer Hochvakuumtransferkammer, abgearbeitet.
In einer besonderen Ausführungsform der Vorrichtung, insbesondere
Hochvakuumbondvorrichtung, ist es denkbar, neben einer symmetrischen Wärmeeinbringung, vorzugsweise durch gleichmäßiges Heranführen der gegenüberliegenden Heizflächen der Heizeinrichtungen hin zu den zu prozessierenden Substraten, die Substrate in Abhängigkeit deren Materialart sowie deren Dicke und/oder unter Berücksichtigung des
Dehnungskoeffizienten die Wärmeeinbringung so zu steuern, um
unterschiedliche Verformungen, insbesondere Dehnungen und/oder Verzerrungen, insbesondere auch bei der Verwendung von verschiedenartigen Materialien, zu vermeiden. Insbesondere dient die symmetrische Erwärmung der gleichmäßigen (also homogenen) Durchwärmung von beiden Seiten des Substratstapels.
Wichtige Prozessparameter sind insbesondere die Heizrate und/oder die Heizleistung. Die Heizrate definiert, um wieviel Grad sich das Substrat pro Zeiteinheit erwärmt. Insbesondere wird die Heizrate auf einen Wert zwischen 1 °C/min und 1000 °C/min eingestellt. Kleinere Heizraten wären zwar möglich, sind aber bei den angestrebten Temperaturen nicht mehr
wirtschaftlich, da der Aufheizvorgang zu lange benötigen würde. Heizraten, die größer sind als 1 000 °C/min, würden die Substrate so schnell erwärmen, dass es zu Schädigungen der Substrate und/oder zu Ausrichtungsfehlern zwischen den Substraten kommen kann. Die Heizleistung gibt die
Wärmemenge pro Zeiteinheit an, die benötigt wird, um ein Objekt auf eine vorgegebene Temperatur zu heizen. Die Heizleistung wird durch,
insbesondere in den Probenhaltern angeordnete, Heizelemente aufgebracht, die vorwiegend elektrisch betrieben werden. Unter der Annahme idealer Bedingungen, daher keinerlei Verlustleistungen und einer 100% Umsetzung der eingebrachten elektrischen Energie in Wärmeenergie, kann eine
Untergrenze der notwendigen (elektrischen) Leistung berechnet werden, die mindestens notwendig ist, um ein Substrat mit gewissem Durchmesser und gewisser Dicke, innerhalb einer gewünschten Zeit auf die gewünschte
Temperatur zu bringen. Die Heizleistung entspricht der in ein Substrat eingebrachten Energie pro Zeiteinheit. Die eingebrachte Energie entspricht insbesondere der eingebrachten Wärme. Die Wärme, die notwendig ist, um einen Körper von einer Ausgangstemperatur auf eine Endtemperatur zu erwärmen, entspricht dem Produkt aus der zu überwindenden
Temperaturdifferenz, spezifischer Wärmekapazität und Masse des Körpers. Die Masse des Körpers kann bei gegebener Dichte und den Abmessungen berechnet werden. Substrate sind vorzugsweise rund, und sehr oft
Einkristalle. Daher besitzen sie zu berechnende Geometrien und eine homogene Dichte. Die Berechnung der Masse als Funktion der geometrischen Parameter, insbesondere der Dicke und des Durchmessers kann
erfindungsgemäß automatisiert erfolgen. Die so ermittelte Wärmemenge wird dann durch die gewünschte minimale Zeit, in der die entsprechende
Temperaturdifferenz überwunden werden soll, dividiert. Daraus ergibt sich die Heizleistung. Die elektrische Leistung wird dann entsprechend gewählt. Da nicht die gesamte elektrische Leistung in Wärmeleistung umgewandelt wird, wird die tatsächlich einzubringende elektrische Leistung entsprechend höher gewählt, um die Verlustleistung zu kompensieren.
Figure imgf000008_0001
Die Tabelle zeigt die minimale elektrische Leistung, die notwendig ist, um ein Siliziumsubstrat mit einem Durchmesser von 200 mm und einer Dicke von 725 μηι in den angegebenen Zeiten von 25 °C auf 525 °C zu erwärmen. Die tatsächliche elektrische Leistung wird auf Grund von Verlustleistungen größer sein. Die elektrische Leistung der verwendeten Heizer wird
insbesondere größer als 100 W, vorzugsweise größer als 1 000 Watt, noch bevorzugter größer als 5000 Watt, am bevorzugtesten größer als 1 0000 Watt, am allerbevorzugtesten größer als 20000 Watt, gewählt.
Erfindungsgemäß erfolgt die Druckbeaufschlagung des ersten Substrats insbesondere durch eine erste Druckfläche einer ersten Druckplatte, die vorzugsweise gleichzeitig die erste Heizfläche ist. Die Druckbeaufschlagung des zweiten Substrats erfolgt insbesondere durch eine zweite Druckfläche einer zweiten Druckplatte, die vorzugsweise gleichzeitig die zweite
Heizfläche ist.
Erfindungsgemäß werden hierzu insbesondere vorher zu bestimmende und festgelegte Rezepte bzw. Verfahrensabläufe angewendet, die vorzugsweise materialspezifische Eigenschaften und/oder die konkrete Beschaffenheit, insbesondere die Materialstärke, der zu bondenden Substrate berücksichtigen. Neben einer möglichen vollautomatischen Abarbeitung der Rezepte ist auch eine semiautomatische Nutzung der Einrichtung sowie darüber hinaus auch eine manuelle Nutzung der in Rede stehenden Einrichtung denkbar.
Soweit die zu bondenden Substrate aus Materialien bestehen, welche die thermische Strahlung sehr stark reflektieren und damit eine gewünschte Wärmeeinbringung somit erheblich verlangsamen bzw. erschweren, werden die Rezepte entsprechend angepasst. Umgekehrt wäre aber auch eine erhöhte Absorption der thermischen Strahlung durch entsprechend stark
absorbierende Materialien und/oder Oberflächenbeschaffenheit denkbar, wobei die Rezepte, insbesondere Aufheizzeiten, entsprechend verkürzt würden. Die erfindungsgemäße Einrichtung ist insbesondere in der Lage, das
Aufheizen beeinflussende Faktoren, insbesondere durch Sensoren, zu erkennen und bei dem Verfahrensablauf zu berücksichtigen und/oder bei folgenden Schritten oder folgenden Substratstapeln auszusteuern.
Die erfindungsgemäße Einrichtung ermöglicht es außerdem in bevorzugter Weise, die Substrate durch Konvektion und/oder verschiedene Heizzonen vorteilhaft zu behandeln, so dass eine gleichmäßige Wärmeeinbringung erzielt wird. Die Erwärmung der Substrate erfolgt vorzugsweise über
Konvektion eines in die Bondeinrichtung, insbesondere in den Probenhalter, noch bevorzugter einen Noppenprobenhalter (engl. : Noppenchuck), eingebrachten Gases (insbesondere als eigenständiger Erfindungsaspekt offenbart). Während das Gas für die Wärmeübertragung durch Konvektion sorgt, wird die Bondeinrichtung, vorzugsweise kontinuierlich, evakuiert, sodass sich in der Bondkammer ein Druck von weniger als 1 0"2 mbar, noch bevorzugter weniger als 10" mbar einstellt. Die Einbringung des Gases erfolgt insbesondere vor und/oder während einer Evakuierung der
Bondeinrichtung. Das Gas kann von außen, bevorzugt durch eine Leitung des Probenhalters und/oder einer Druckplatte zum Substratstapel und/oder Probenhalter bzw. Druckplatte geleitet werden. Bei einer erfindungsgemäßen Verwendung eines Probenhalters mit genoppter Kontaktfläche, insbesondere Heizfläche der Heizeinrichtung, verteilt sich das Gas auf Grund der definierten Topographie optimal zwischen dem Substrathalter und/oder der Druckplatte und dem Substratstapel.
Während die zueinander ausgerichteten Substratstapel im Bonder
(insbesondere auf einem Noppenchuck) liegen und die Umgebung um die Substrate evakuiert wird, strömt (insbesondere aus dem Noppenchuck) ein Gas, welches die Wärmeleitung zwischen dem (Noppen)probenhalter und dem Substratstapel sicherstellt. Außen herum wird evakuiert und zwischen
Substratstapel und (Noppen)probenhalter wird gespült. Durch das Spülen wird der durch die Vakuumeinrichtung angelegte Druck in der Bondkammer entsprechend reduziert.
Einer der wichtigsten erfindungsgemäßen Aspekte besteht darin, zu
verhindern, dass durch das Aufheizen der Substrate eine Verschiebung der Substrate zueinander erfolgt, wodurch die Ausrichtung der Substrate zueinander wieder verloren geht. Physikalisch betrachtet besteht die
Erfindung insbesondere darin, dafür zu sorgen, dass die bei einer
Temperaturänderung eintretenden thermischen Dehnungen beider Substrate immer gleich sind. Bestehen beide Substrate aus demselben Material, so werden die beiden Substrate vorzugsweise gleich temperiert.
In Weiterbildung der Erfindung werden die die Heizeinrichtungen beim Heizen und das Annähern daher derart gesteuert, dass zumindest während der überwiegenden Dauer des Annäherns die Differenz der mittleren Temperatur des ersten Substrats und der mittleren Temperatur des zweiten Substrats kleiner 5 °C, insbesondere kleiner 1 °C, bevorzugt kleiner 0,5 °C, noch bevorzugter kleiner 0, 1 °C, beträgt. Sollten die beiden zueinander
ausgerichteten Substrate zwar aus demselben Material bestehen, aber unterschiedliche Dicken aufweisen, so kann es passieren, dass die
Temperaturänderung in einem der beiden Substrate, insbesondere in dem Substrat mit der größeren Dicke, langsamer verläuft als in dem anderen Substrat, insbesondere dem mit der geringeren Dicke. In einer solchen Situation kann es daher während dem Aufheizvorgang trotz gleicher
Materialkennwerte, aber unterschiedlicher Geometriekennwerte zu einer Verschiebung der beiden Substrate kommen. Im Idealfall würde sich aber nach der totalen Erwärmung der Substrate die vorher durch eine
Ausrichtungseinheit erzeugte Ausrichtung wieder korrekt einstellen.
Sollten die Materialien und damit die Materialkennwerte der beiden
Substrate, insbesondere der thermische Ausdehnungskoeffizient bzw. der thermische Ausdehnungstensor und/oder die Wärmeleitfähigkeit und/oder die Wärmekapazität, unterschiedlich sein, kommt es zu einer nicht gewollten Verschiebung der Substrate zueinander. Diese kann durch erfindungsgemäße Verfahren kompensiert werden. In diesem Fall werden die Heizeinrichtungen beim Heizen und das Annähern derart gesteuert, dass zumindest während der überwiegenden Dauer des Annäherns die Differenz der mittleren Temperatur des ersten Substrats und der mittleren Temperatur des zweiten Substrats größer als 0. 1 °C, insbesondere größer 0.5 °C, bevorzugt größer 1 °C, noch bevorzugter größer 5 °C, beträgt um die Differenz der thermischen Dehnungen der beiden Substrate zu kompensieren, sodass die Ausrichtung möglichst gut erhalten bleibt.
Alternativ oder zusätzlich kann es vorteilhaft sein, die Heizeinrichtungen beim Heizen und das Annähern derart zu steuern, dass die an der ersten Oberfläche auftreffende Strahlungsenergie der ersten Heizfläche während des Annäherns gleich ist wie die an der zweiten Oberfläche auftreffende
Strahlungsenergie der zweiten Heizfläche.
Gemäß einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird eine Verbesserung des Bondergebnisses durch eine dem Bonden
vorgeschaltete Erwärmung der Substrate und damit einhergehend einem Ausgasen, insbesondere innerhalb der Vakuumtransferstrecke und noch vor Erreichen der eigentlichen Bondeinrichtung, erreicht.
Nach dem Erreichen der Bondeinrichtung und noch vor dem eigentlichen Bondvorgang wird bevorzugt eine auf die individuellen Anforderungen abgestimmte, gleichmäßige bzw. homogene (symmetrische oder
asymmetrische) Erwärmung der Substrate vorgenommen. Hierdurch werden (thermische) Spannungen durch ungleichmäßige Dehnungen innerhalb der Substrate weitgehend vermieden, was das gewünschte Bondergebnis positiv beeinflusst. Der thermische Ausdehnungskoeffizient von Silizium liegt beispielsweise im Bereich von 2.6 10"6 K" 1. Sind beide Substrate aus dem Material Silizium gefertigt, besitzen auch beide denselben (gemittelten) thermischen Ausdehnungskoeffizienten (unter der Annahme, dass beide Substrate dieselbe Kristallorientierung besitzen wovon meistens ausgegangen werden kann, da die meisten Siliziumwafer eine kristallographische ( 100) Orientierung besitzen und unter der Annahme, dass die thermische
Ausdehnung in der Substratebene isotrop ist). Dementsprechend werden thermisch gleich belastete Substrate auch gleiche thermische Dehnungen erfahren. Sollten sich die Materialien unterschieden sind deren thermische Ausdehnungskoeffizienten im Allgemeinen unterschiedlich. Diese
unterschiedlichen thermischen Dehnungen können erfindungsgemäß
kompensiert werden.
Gemäß einem weiteren, bevorzugten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine Aufnahmeeinrichtung zur Aufnahme des Substratstapels zumindest während des Bondens vorgesehen. Die Aufnahmeeinrichtung ist insbesondere geeignet, den Substratstapel, insbesondere am Umfang oder in einem
Umfangsbereich, aufzunehmen. Weiter bevorzugt ist die
Aufnahmeeinrichtung geeignet, die Substrate an den Kontaktflächen zusammenzuhalten und in der ausgerichteten Position zu halten, bis die Substrate gebondet sind. Die Aufnahmeeinrichtung, insbesondere der
Noppenprobenhalter, beaufschlagt bzw. kontaktiert vorzugsweise nur einen kleinen Abschnitt der von den Kontaktflächen abgewandten Oberflächen der Substrate bevorzugt bedeckt die Aufnahmeeinrichtung die mit
Strahlungswärme zu beaufschlagende Oberfläche der Substrate kaum oder gar nicht. Anders ausgedrückt liegt der überwiegende Teil, insbesondere mindestens %, bevorzugt mindestens 90%, der Oberflächen der Substrate zu den mit Abstand hierzu angeordneten Heizflächen der Heizeinrichtungen frei.
Durch eine Reduzierung der Fläche der Substrate, die von der
Aufnahmeeinrichtung kontaktiert wird, wird eine unerwünschte
Kontamination der Substrate reduziert. Durch die beschriebene
Vorgehensweise wird außerdem der Durchsatz erhöht, da auf das bisher nach jedem Bondvorgang notwendige und zeitintensive vollständige Aufheizen und Abkühlen der zumindest eine Oberfläche überwiegend bedeckenden
Aufnahmeeinrichtung verzichtet werden kann. Ein weiterer Aspekt der erfindungsgemäßen Ausführungsform besteht darin, dass eine Erwärmung des Substratstapels beidseitig zumindest während des Heizens bis zur Bondtemperatur zumindest überwiegend durch
Wärmestrahlung und/oder Wärmekonvektion, insbesondere durch natürliche Wärmekonvektion, erfolgt. Dies wird insbesondere durch Beabstandung der Oberflächen der Substrate von den Heizflächen bewirkt.
Indem der Abstand während des Heizens reduziert wird, nimmt die durch Wärmestrahlung eingebrachte Wärmeleistung im Verhältnis zur durch
Wärmekonvektion eingebrachten Wärmeleistung zu. Sobald die Heizflächen, bevorzugt gleichzeitig, die j eweilige Oberfläche der Substrate kontaktieren, wird die Wärmeleistung zumindest teilweise, vorzugsweise überwiegend, durch Wärmeleitung zwischen den Oberflächen und den Heizflächen übertragen. Bevorzugt wird die Bondtemperatur zumindest zu % erreicht, bevor die Wärmeleitung und/oder Druckbeaufschlagung erfolgt.
Eine mögliche Wärmekonvektion von oben und unten hat den Vorteil, dass vorhandene Unebenheiten die ein gleichmäßiges und vorteilhaftes Erwärmen der Substrate erschweren während dem Bondvorgang stark reduziert bzw. gänzlich ausgeschlossen werden können.
In einer besonderen, insbesondere erfindungsgemäß eigenständigen,
Ausprägung des Probenhalters und/oder der Heizflächen weisen diese Noppen auf, um eine möglichst geringe Kontaminierung der Oberflächen der
Substrate zu erreichen. Dadurch besteht außerdem die Möglichkeit, auch während der Druckbeaufschlagung das für die Konvektion notwendige Gas zuzuführen.
Die Kontaktflächen der Noppen können insbesondere bombiert ausgebildet sein, um die Kontaktfläche der Heizflächen zu den Oberflächen der Substrate weiter zu reduzieren. Die Noppenfläche wird in einer bevorzugten Ausführungsform
weitergebildet, indem der gesamte radiale Umfangsbereich der Heizfläche oder Druckbeaufschlagungsfläche durch einen Dichtring begrenzt ist/wird. Hierdurch wird ein Entweichen des in die Noppendruckplatte geleiteten Gases verhindert bzw. reduziert. Der Umfangsbereich der oberen und unteren Noppendruckplatte schließt insbesondere formschlüssig mit dem zu bearbeitenden Substrat ab und verhindert somit ein Entweichen des Gases.
Erfindungsgemäß denkbar ist es, einen Durchlass vorzusehen, der sich vorteilhafterweise zwischen dem den gesamten radialen Randbereich begrenzenden Steg und dem zu bearbeitenden Substrat erstreckt und über den es möglich ist, überschüssiges Gas, insbesondere kontrolliert, vorzugsweise in Form eines Ventils, aus der Noppenfläche zu entlassen.
Prozessbeschleunigende Maßnahmen wie die kontaminierungsreduzierende automatisierte Übergabe der in der Ausrichtungseinheit ausgerichteten Substrate durch einen sich innerhalb einer Vakuumtransferstrecke
befindlichen Prozessroboter mit einer speziell ausgeprägten
Aufnahmeeinrichtung, insbesondere in Form einer Auflage, die eine
Berührung des Substrats nur an dem Radialumfang vorsieht, ist bisher nicht bekannt. Diese Aufnahmeeinrichtung kann darüber hinaus zusätzlich mit einer elektrostatischen Kraft beaufschlagt werden, um die Haltekräfte des Prozessroboters weiter zu erhöhen.
Auch sind der Ausrichtung vor- und/oder nachgeschaltete Prozesse wie das Temperieren der Substrate als vorteilhafte Ausführung der Erfindung anzusehen, um Oberflächengase und/oder Feuchtigkeit vor dem Einbringen in die Vakuumbondeinrichtung auszutragen und somit das Bondergebnis zu verbessern. Als weitere, insbesondere eigenständige Erfindung wird eine durchgehende Behandlung von der Ausrichtung bis zum Bonden in einem sich durch alle, insbesondere modularisierten, Komponenten fortsetzenden Vakuum, insbesondere Hochvakuum, offenbart, bei dem sowohl Fremdatome als auch Reaktionen des Substratmaterials, insbesondere Oxidation, weitestgehend ausgeschlossen werden.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Ausführungsformen ist die Erhöhung der Präzision eines durchgeführten Bonds. Darunter wird
verstanden, dass die durch die Ausrichtungseinheit erreichte
Positionierungsgenauigkeit mehrerer Strukturen der Substrate zueinander nicht durch die Wärmebehandlung im Bonder verloren geht. Verformungen treten im Stand der Technik insbesondere dadurch auf, dass inhomogen erwärmte Substratstapel, beispielsweise auf Grund von Substraten aus unterschiedlichen Materialien und damit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, sich verschieben oder verformen, bevor der Bondvorgang abgeschlossen wird, also der Prozess der Druckbeaufschlagung, beginnt oder stattfindet. Die Erfindung erlaubt dagegen die Beibehaltung der Justiergenauigkeit der Ausrichtungseinrichtung zwischen mehreren
Strukturen bis und über den eigentlichen Bondprozess hinaus. Die erreichte und beibehaltene Ausrichtungsgenauigkeit, also die maximale Verschiebung zwischen den Strukturen an den gegenüberliegenden Substraten des
ausgerichteten Substratstapels bis zum Abschluss des Bondens ist
erfindungsgemäß insbesondere kleiner als 10 μπι, mit Vorzug kleiner als 1 μιη, mit größerem Vorzug kleiner als 1 00 nm, mit größtem Vorzug kleiner als 10 nm.
Die erfindungsgemäße Ausführungsform erlaubt im isothermen Betrieb eine Steigerung des Durchsatzes, da die Heizer und damit der Probenhalter sowie die Druckplatten bevorzugt nicht ständig geheizt und gekühlt werden, sondern, insbesondere zumindest überwiegend, vorzugsweise ausschließlich, durch Positionsänderung eine Temperaturänderung am Substratstapel bewirken können. Bauteile des Bonders, insbesondere mindestens eine der Druckplatten, können sich quasi bei voller Bondtemperatur in eine Stand-By- Position bewegen und dort auf den nächsten Substratstapel warten, ohne gekühlt werden zu müssen.
Die Kontamination der Substrate des Substratstapels ist geringer, da der Substratstapel zumindest überwiegend an den zu heizenden Oberflächen bis zur Druckbeaufschlagung nicht aufliegt, sondern in Schwebe gehalten wird und somit praktisch keine Kontakt mit Kontaminationsmaterial hat. Bei dem Kontakt zur Druckbeaufschlagung wird erfindungsgemäß mit Vorzug ein Noppenprobenhalter, insbesondere auch als Druckplatte und/oder Heizfläche, verwendet, der die wirksame Kontaktfläche zu den Substraten sogar bei der Druckbeaufschlagung minimiert. Die Kontaktfläche des Noppenprobenhalters ist erfindungsgemäß insbesondere kleiner als 90%, mit Vorzug kleiner als 50%, mit größerem Vorzug kleiner als 25%, mit größtem Vorzug kleiner als 5%, mit allergrößtem Vorzug kleiner als 1 % der Substratfläche.
Die Erfindungsgemäße Vorrichtung besteht insbesondere aus einer modular aufgebauten Einrichtung/Anlage, welche in einer ersten Ausführungsform aus mindestens drei unabhängig voneinander zu steuernden Modulen, nämlich einer Ausrichtungseinheit (engl. : aligner), einer Vakuumtransferstrecke mit integrierter Handhabungseinrichtung, insbesondere dem Prozessroboter zur Handhabung von Substraten, sowie einer Bondeinheit besteht. Möglich ist aus verfahrenstechnischen Gründen eine Ergänzung durch weitere Module.
Insbesondere können manche Module zur Beschleunigung und parallelen Bearbeitung mehrfach vorgesehen sein.
Die Beschickung der Ausrichtungseinheit mit den mindestens zwei
auszurichtenden Substraten erfolgt manuell, kann aber bevorzugt
semiautomatisch oder noch bevorzugter vollautomatisiert erfolgen. Bei den Substraten handelt es sich mit Vorzug um Wafer. Die Wafer sind genormte Halbleitersubstrate mit wohldefinierten, standardisierten
Durchmessern. Die Substrate können j ede beliebige Form besitzen.
Insbesondere können die Substrate rechteckig oder rund sein. Sollten die Substrate rund sein, können die Durchmesser der Substrate ebenfalls jede beliebige Größe haben, besitzen aber meistens einen der genormten
Durchmesser von 1 , 2, 3 , 4 Zoll sowie 125 , 1 50, 200, 300 oder 450 mm.
Im weiteren Verlauf der Patentschrift wird allgemein von Substraten gesprochen. Insbesondere beziehen sich die erfindungsgemäßen
Ausführungsformen allerdings vorwiegend auf Wafer.
Die Substrate werden zueinander ausgerichtet und bilden einen
Substratstapel. Der Substratstapel besteht aus mindestens zwei Substraten. Es können aber auch mehr als zwei, mit Vorzug mehr als fünf, mit größerem Vorzug mehr als zehn, mit größtem Vorzug mehr als 1 5 Substrate zueinander ausgerichtet und temporär zu einem Substratstapel verbunden werden. Die Substrate können aus jedem beliebigen Material bestehen. Vorzugsweise handelt es sich um Materialien, die in der Halbleiterindustrie verwendet werden. Dazu zählen bevorzugt Halbleiter wie Silizium, Germanium, Gläser wie beispielsweise Quarz, Halbleiterheterostrukturen wie GaAs oder
Keramiken. Denkbar wäre auch noch die Verwendung von Polymersubstraten oder Metallsubstraten. Die Dicken der Substrate variieren zwischen 10000 μπι und 50 μπι, wobei Substrate mit entsprechend geringen Dicken durch Schleif- und Polierprozesse auf die jeweilige Dicke hergestellt werden.
Trägersubstrate, die nur zur Unterstützung anderer Substrate, der
sogenannten Produktsubstrate dienen, haben hohe Dicken, wohingegen
Produktsubstrate immer stärker gedünnt werden, um eine entsprechend hohe Packungsdichte funktionaler Einheiten auf den Produktsubstraten durch Stapelung zu erreichen. Die Dicke eines Trägersubstrats ist größer als 200 μηι, mit Vorzug größer als 500μηι, mit größtem Vorzug größer als 700μπι, mit allergrößtem Vorzug größer als Ι ΟΟΟμπι. Die Dicke eines Produktsubstrats ist kleiner als 1000 μηι, mit Vorzug kleiner als 500 μπι, mit größerem Vorzug kleiner als 1 00 μηι, mit allergrößtem Vorzug kleiner als 50 μιη.
Die Ausrichtungseinheit ist außerdem mit einer Vorrichtung zur Aufnahme und Fixierung der Substrate ausgestattet, die es erlaubt Substrate nach der Ausrichtung zueinander zu fixieren.
Insbesondere umfasst die Ausrichtungseinheit eine Vorrichtung, die es erlaubt, Substrate gegeneinander auszurichten und so mit einem Fixiermittel temporär zu fixieren, dass ein Transport von der Ausrichtungseinheit über eine Vakuumtransferstrecke hin zu einem weiteren Modul, insbesondere einer Bondeinrichtung, möglich ist, ohne dass dieser Transport sich negativ auf die ausgerichteten Substrate auswirkt. Mit besonderem Vorzug handelt es sich bei der Fixiereinheit um eine Vorrichtung zur magnetischen Fixierung des Substratstapels, wie in der Druckschrift PCT/EP 201 3/056620 beschrieben, auf die insofern Bezug genommen wird. Die Klemmung kann alternativ durch mechanische Klemmen erfolgen, welche die Seiten der Substrate in einem kleinen Umfangsabschnitt umklammern und nicht mehr an einen Probenhalter fixiert sein müssen. Denkbar wäre auch die Fixierung der Substrate
untereinander durch eine elektrostatische Anziehungskraft zwischen den Oberflächen der Substrate. Eine weitere denkbare Möglichkeit, die Substrate miteinander zu fixieren, stellt das Tacken (Heften) dar. Dabei handelt es sich um ein lokales Verschweißen oder Verkleben der beiden Substrate durch die Aufbringung einer konzentrierten Punktkraft, insbesondere eines
konzentrierten elektrischen Stroms oder einer stark begrenzen sehr heißen Wärmebeaufschlagung, vorzugsweise durch einen Laser. Diese örtlich begrenzte Beanspruchung zwischen den Oberflächen der beiden Substrate sorgt zumindest für eine lokale Fixierung, die ausreicht, um die beiden Substrate transportieren zu können, ohne eine Verschiebung der beiden Substrate zueinander zu verursachen. Erfindungsgemäß sind die einzelnen Module insbesondere mit
Verbindungsschleusen ausgestattet, die sich an den j eweiligen Übergängen zu den einzelnen Modulen befinden und mit denen die Möglichkeit besteht, definierte, den weiteren Prozess positiv beeinflussende Atmosphären zu schaffen.
Erfindungsgemäß ist eine Schleuse ein Bereich, insbesondere ein Raum, der durch zwei Schleusentore von zwei weiteren, voneinander getrennten, aber mit der Schleuse verbundenen, Bereichen, insbesondere Räumen, verbunden ist. Der Zugang aus und/oder von der Schleuse in und/oder von einem der beiden Räume erfolgt durch Schleusentore. Die Schleusentore sind
insbesondere einzeln ansteuerbar. Die Schleusentore sind insbesondere als Ventile oder Torventile (engl. : gate valve) ausgebildet. Im weiteren Verlauf wird nicht explizit zwischen Schleusentor und/oder Schleuse unterschieden. Damit ist gemeint, dass bei der Verwendung des Wortes Schleusentor insbesondere auch eine gesamte Schleuse, daher ein Bereich, insbesondere ein Raum, mit zwei Schleusentoren gemeint sein kann.
In den einzelnen Modulen ist es demnach möglich, unterschiedliche
Atmosphären in Abhängigkeit der Anforderungen an den j eweiligen Prozess zu erzeugen. Außerdem ist es möglich, in dem Vakuumtransfermodul
Prozesse zu steuern, die eine Beschleunigung des gesamten Bondvorgangs ermöglichen. Denkbar ist hierbei eine dem Bonden vorgeschaltete
Erwärmung, die es ermöglicht, zu bondende Substrate vorzuheizen, um diese in der Folge temperiert an das Vakuumkammermodul zu übergeben. Dadurch wird das zeitintensive Aufheizen der Heizeinrichtungen des Bondeinrichtung signifikant verkürzt, was sich unmittelbar auf den zu erwartenden Durchsatz auswirkt.
Zusätzlich denkbar ist insbesondere eine vorgeschaltete Erwärmung zur Vorkonditionierung der Substrate unabhängig voneinander. Die Substrate können vor der Einbringung in die Ausrichtungseinheit auf vorzugsweise > 100°C geheizt werden. Dabei ist die freie Weglänge für Moleküle an der Oberfläche maximierbar. Zum Beispiel können die Substrate mit großem Abstand zu einer Kammerwand (> l cm, >5cm, > 10cm) erhitzt werden. Die dadurch entstehende große freie Weglänge fördert den Abtransport von Fremdatomen und Gasen von der Oberfläche der Substrate. Beim Transport der einzelnen Substrate in die Ausrichtungseinheit fallen die Temperaturen vorzugsweise wieder auf Raumtemperatur.
Die Ausrichtung der Substrate geschieht in der Ausrichtungseinheit insbesondere unter Hochvakuumbedingungen, die bevorzugt im Wesentlichen den Druckbedingungen in der Bondeinrichtung entsprechen. Nach
Ausrichtung der Substrate erfolgt ein automatisierter Transport über einen Prozessroboter von der Ausrichtungseinheit hin zu einem
Vakuumtransfermodul, in dem vorbereitende Maßnahmen für das im weiteren Verlauf des Prozesses geplante Bonden vorgenommen werden können.
Nach dem Transfer des Substratstapels von dem
Vakuumtransferstreckenmodul in das Bondmodul wird der Substratstapel von dem Roboter auf ausfahrbaren Beladestiften abgelegt. Ein direkter Kontakt zwischen den Beladestiften und dem Substratstapel erfolgt nur partiell.
Erfindungsgemäß werden maximal dreißig, vorzugsweise weniger als 20, mit größerem Vorzug weniger als 10, mit größtem Vorzug weniger als 5, am meisten bevorzugt genau drei Beladestifte, verwendet.
Der zu bondende Substratstapel schwebt somit zwischen einer dynamisch an die Substrate heranführbaren ersten Heizfläche und Druckplatte und einer, insbesondere statischen, zweiten Heizfläche. Sowohl die erste (insbesondere obere) als auch die zweite (insbesondere untere) Heizeinrichtung und
Druckplatte haben vorteilhafterweise näherungsweise den gleichen
Durchmesser wie die zu behandelnden Substrate, oder sind grösser. Die erste Heizfläche und Druckplatte kann sowohl symmetrisch als auch asymmetrisch an die Substrate herangeführt werden. Bei einer asymmetrischen Erwärmung des Substrats ist der Abstand auch während eines dynamischen Heranführens der ersten Heizfläche und Druckplatte an die in der Substrataufnahme befindlichen Substrate ungleich dem Abstand der zweiten Heizfläche und Druckplatte zu der zwischen der ersten und zweiten Heizfläche befindlichen Substrataufnahme bzw. zu den zu heizenden Oberflächen der Substrate.
Der Abstand zwischen der ersten und/oder zweiten Heizfläche und dem
Substratstapel während des Beladevorgangs ist insbesondere größer als 1 mm, mit Vorzug größer als 5 mm, mit größerem Vorzug größer als 10 mm, mit größtem Vorzug größer als 30 mm.
Die Temperaturen der ersten und/oder zweiten Heizfläche während des Beladevorgangs sind insbesondere größer als 25 °C, mit Vorzug größer als 1 00°C, mit größerem Vorzug größer als 300°C.
Die Aufheizrate des Substratstapels wird insbesondere durch die Abstände A der ersten Heizfläche und/oder B der zweiten Heizfläche relativ zum
Substratstapel beziehungsweise zu den j eweiligen Oberflächen gesteuert werden. Damit ist es erfindungsgemäß insbesondere möglich,
Temperaturprogramme und/oder -zyklen zu fahren, ohne die
Heizeinrichtungen und damit den Probenhalter und/oder die Druckplatte ständig kühlen oder heizen zu müssen. Eine ähnliche Vorgehensweise wurde bereits in der Patentschrift PCT/EP2013/0641 5 1 verwendet, um eine
Flüssigkeit durch die Positionierung eines Heizers zu erwärmen, ohne den Heizer ständig heizen bzw. kühlen zu müssen. Durch diese erfindungsgemäße Ausführungsform wird es möglich, einen Heizer auf eine gewisse,
insbesondere Bondtemperatur zu heizen, seine Position aber während des Beladevorgangs so weit von der Beladeebene des Substratstapels festzulegen, dass der geladene Substratstapel zunächst (also insbesondere beim Beladen) kaum geheizt wird. Erst durch die Annäherung erfolgt eine entsprechend gesteuerte, nach den Randbedingungen vorgegebene, insbesondere
symmetrische Erwärmung der Substrate. Dieser erfindungsgemäße Prozess funktioniert insbesondere, wenn die Erwärmung des Substratstapels zumindest überwiegend, vorzugsweise ausschließlich, durch Wärmestrahlung, nicht über Wärmekonvektion erfolgt. Insbesondere besitzt dieser
erfindungsgemäße Prozess die größte Effektivität unter Vakuum.
Bei einer symmetrischen Erwärmung der Substrate sind der Abstand A während eines dynamischen Heranführens der ersten Heizfläche und
Druckplatte an die Substrate gleich dem Abstand B der zweiten, insbesondere statischen, zweiten Heizfläche. Erreicht wird dies insbesondere durch kontrolliertes und insbesondere kontinuierliches Heranführen sowohl der ersten Heizfläche an die zweite Heizfläche, wobei zeitgleich auch die den Substratstapel aufnehmende Aufnahmeeinrichtung an die zweite Heizfläche herangeführt wird. Bevorzugt wird die erste Heizfläche genau doppelt so schnell wie der Substratstapel auf die zweite Heizfläche zu bewegt.
In einer alternativen Ausführungsform bleibt die Aufnahmeeinrichtung mit dem Substratstapel stationär und die beiden Heizflächen bewegen sich, insbesondere mit gleicher Geschwindigkeit und unter gleichen, sich
symmetrisch verringernden Abständen A und B, von oben und unten auf den Substratstapel zu.
Sowohl für die symmetrische als auch die asymmetrische Erwärmung werden, insbesondere vorher empirisch oder durch Messungen ermittelte, Rezepte in einer Steuerungseinrichtung hinterlegt, die unter Berücksichtigung
vorhandener Parameter für eine optimierte Erwärmung der Substrate sorgen. Als Parameter kommen vor allem die Materialart, Dicke, Aufheiztemperatur und Bondverfahren in Betracht.
Die asymmetrische Annäherung bzw. Positionierung hat vor allem die
Aufgabe, einen unterschiedlichen Wärmeeintrag in die Substrate zu
ermöglichen, um die thermischen Dehnungen zweier Substrate
unterschiedlicher Materialien ausgleichen zu können. Im Allgemeinen hat jedes Material einen eigenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Um eine gleiche Dehnung beider Substrate zu erzielen, wird in diesem Fall das Substrat mit dem größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf eine geringere Temperatur geheizt als das Substrat mit dem geringeren
thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Dies kann erfindungsgemäß durch unterschiedliche Temperaturen an der ersten Heizfläche und der zweiten Heizfläche und/oder durch unterschiedliche Abstände A und B erfolgen.
Ein weiterer, erfindungsgemäßer Aspekt besteht darin, dass ein Gaseintritt zwischen die Kontaktflächen des Substratstapel nach einer Kontaktierung der ersten Druckplatte und der zweiten Druckplatte oder des Probenhalters mit dem Substratstapel verhindert wird und anschließend ein Gas in die
Bondeinrichtung eingeleitet wird. Dieses breitet sich zwischen der rauen Oberfläche des Substratstapels und des Probenhalters bzw. den Druckplatten aus und schließt die Oberflächenunebenheiten thermisch.
Unter thermischen Schließen versteht man, dass das eingeleitete Gas als Wärmeüberträger dient, um die Wärme von den Heizern über den
Probenhalter bzw. die Druckplatte so schnell wie möglich in den
Substratstapel einzubringen. Der Gasdruck zwischen Probenhalter und Substratstapel ist dabei insbesondere >0,01 mbar, mit Vorzug >0, 1 mbar, mit großem Vorzug > l mbar, mit allergrösstem Vorzug >3mbar. Dieser Gasdruck wird insbesondere durch geringe Gasmengen (Flussrate) erreicht,
vorzugsweise von > 1 sccm, noch bevorzugter >5sccm, noch bevorzugter >20 sccm.
Durch hohe Pumpleistung, insbesondere von mehreren hundert Litern pro Sekunde, kann gleichzeitig ein hohes Vakuum in der Bondkammer,
insbesondere <0,001 mbar, bevorzugt <0,0001 mbar, noch bevorzugter
<0,00001 mbar, aufrechterhalten werden. Dabei wirkt insbesondere eine Kraft auf den Substratstapel, die eine laterale Verschiebung verhindert. Die aufgebrachten Bondkräfte liegen bevorzugt zwischen 1 N und 200kN, mit größerem Vorzug zwischen l kN und l OOkN.
Von diesem Zeitpunkt an erfolgt ein gewöhnlicher, im Stand der Technik bereits bekannter Bondvorgang. Dabei kann es sich um einen Temporärbond oder einen Permanentbond handeln. Denkbar wären Temporärbonds mit Temporärklebern, Permanentbonds wie eutektische Bonds, anodische Bonds, Glassfrittbonds, Fusionbonds, Metall(diffusions)bonds oder mit
Permanentklebern.
Obwohl die erfindungsgemäße Ausführungsform sowie der erfindungsgemäße Prozess mit nahezu allen Probenhaltern durchgeführt werden kann, wird ein Noppenprobenhalter bevorzugt (eigenständiger Erfindungsaspekt). Unter einem Noppenprobenhalter versteht man einen Probenhalter, dessen
Oberfläche nicht eben ist, sondern aus mehreren kleinen Erhebungen, den Noppen, besteht, welche eine Halteebene bilden und darauf den
Substratstapel tragen. Diese Noppen reduzieren die Kontaktfläche zum Substratstapel erheblich und verringern damit auch die Wahrscheinlichkeit der Kontamination des Substrats. Der Noppenprobenhalter wird so
ausgeführt, dass er die aufgebrachte Bondkraft übersteht.
Die Höhe der Noppen ist insbesondere kleiner als 1 mm, mit Vorzug kleiner als 0. 1 mm, mit größerem Vorzug kleiner als 0.01 mm, mit größtem Vorzug kleiner als 0.001 mm. Mit besonderem Vorzug besitzt auch die Druckplatte Noppen, sodass es sich bei der Druckplatte um eine Noppendruckplatte handelt, welche die gleiche erfindungsgemäße Eigenschaft besitzt wie der Noppenprobenhalter.
In einer weiteren, besonderen Ausführungsform besitzt mindestens eine der Heizeinrichtungen, vorzugsweise die gleichzeitig als Probenhalter
ausgebildete, eine aus mehreren Zonen bestehende Heizfläche. Diese Zonen der Heizfläche können bevorzugt einzeln angesteuert werden. Die Zonen des Heizers sind mit Vorzug konzentrisch zueinander positionierte Kreisringe. Durch das gezielte Ansteuern der Zonen können örtlich aufgelöste
Temperaturprofile erzeugt werden. Die Anzahl der Zonen ist größer als 1 , mit Vorzug größer als 5 , mit größerem Vorzug größer als 10, mit größtem Vorzug größer als 20, mit größtem Vorzug größer als 50, mit allergrößtem Vorzug größer als 100.
Bei allen beschriebenen Modulen handelt es sich um solche, in denen besondere Atmosphären in Abhängigkeit des Materials der Substrate als auch der Anforderungen für das jeweilige Bondverfahren reproduzierbar
herstellbar sind. Außerdem sind die Module unabhängig voneinander, insbesondere stufenlos, regelbar. Alternativ können die einzelnen Module auch ohne ein Vakuum, also mit Normaldruck, betrieben werden. Auch ist eine atmosphärische Synchronisierung von zwei nebeneinanderliegenden Modulen möglich, um ein beschleunigtes Bewegen von Substraten von einem Modul in ein innerhalb des Prozesses nachgeschaltetes Modul zu
ermöglichen.
Der Druck innerhalb der Vakuumstrecke und/oder innerhalb der
Ausrichtungseinrichtung und/oder innerhalb der Bondeinrichtung ist insbesondere kleiner als 1 mbar, mit Vorzug kleiner als 1 0"3 mbar, mit größerem Vorzug kleiner als 10° mbar, mit größtem Vorzug kleiner als
7 Q
1 0" mbar, mit allergrößtem Vorzug kleiner als 10 mbar.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in:
Figur l a eine schematische Aufsicht einer ersten Ausführungsform eines
Vakuumclusters mit genau zwei angehängten Modulen, eine schematische Aufsicht einer zweiten Ausführungsform eines Vakuumclusters mit sieben angehängten Modulen, einen schematischen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Ausführungsform einer Bondeinrichtung vor dem Laden eines Substratstapels, einen schematischen Querschnitt der Ausführungsform gemäß Figur 2 beim Absetzen des Substratstapels auf Beladestifte, einen schematischen Querschnitt der Ausführungsform gemäß Figur 2 bei der Entfernung eines Roboterarms vom
Substratstapel, einen schematischen Querschnitt der Ausführungsform gemäß Figur 2 bei der Entfernung des Roboterarms aus dem Modul, einen schematischen Querschnitt der Ausführungsform gemäß Figur 2 beim symmetrischen Heizen des Substrats mit zwei Heizeinrichtungen, einen schematischen Querschnitt der Ausführungsform gemäß Figur 2 bei der symmetrischen Annäherung der
Heizeinrichtungen relativ zum Substratstapel, einen schematischen Querschnitt der Ausführungsform gemäß Figur 2 bei der symmetrischen Annäherung der Heizeinrichtung relativ zum Substrat mit Kontakt der ersten Heizeinrichtung mit Teilen der erfindungsgemäßen Beladestifte, Figur 9 einen schematischen Querschnitt der Ausführungsform gemäß Figur 2 bei der symmetrischen Kontaktierung des
Substratstapels,
Figur 10 eine Seitenansicht eines Querschnitt der Umgebung eines
Noppenprobenhalters und einer Noppendruckplatte,
Figur. 1 1 eine Oberansicht eines erfindungsgemäßen Noppenprobenhalters und .
Figur. 12 eine Oberansicht einer erfindungsgemäßen Noppendruckplatte .
In den Figuren sind gleiche oder gleichwirkende Merkmale mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
Die Figur l a zeigt eine schematische Aufsicht einer, insbesondere als
Vakuumcluster, vorzugsweise als Hochvakuumcluster, ausgeführten, Anlage 38. Die Anlage 38 besteht aus genau zwei an eine Vakuumtransferkammer 4 angehängten Modulen, einem Modul mit einer Ausrichtungseinrichtung 1 und einem Modul mit einer erfindungsgemäßen Bondeinrichtung 6. Ein, insbesondere als Prozessroboter ausgeführter, Roboter 34 entnimmt (hier identische) Substrate 35 , 36 aus einem Ladebehälter 39 und transportiert das erste Substrat 35 und das zweite Substrat 36, insbesondere gleichzeitig, entlang einer Vakuumtransferstrecke 5 in die Ausrichtungseinheit 1 . Der Ladebehälter 39 kann insbesondere auch eine Schleuse sein bzw. als solche wirken. Die beiden Substrate 35 , 36 werden zueinander ausgerichtet und an einer ersten Kontaktfläche 35k des ersten Substrats 35 und einer zweiten Kontaktfläche 36k des zweiten Substrats 36 zu einem Substratstapel 14, insbesondere temporär, fixiert. Als Ausrichtungseinheit könnten
beispielsweise die Anlagen aus den Patentschriften PCT/EP 2013/07583 1 oder aus PCT/EP 201 3/062473 verwendet werden. Eine optimale Ausrichtung ist dann gegeben, wenn die aneinander auszurichtenden Strukturen, insbesondere auch die Ausrichtungsmarken, gemäß dem in der Industrie bekannten overlay Modell optimal zueinander passen. Eine entsprechende Beschreibung eines solchen overlay Modells findet sich in der Patentschrift PCT/EP 201 3/061086.
Anschließend transportiert der Roboter 34 den fixierten und ausgerichteten Substratstapel 14 in die Bondeinrichtung 6, insbesondere durch Aufnahme an einer ersten Oberfläche 35o des ersten Substrats 35 oder an einer zweiten Oberfläche 36o des zweiten Substrats 36. Die Oberflächen 35o, 36o sind j eweils von den Kontaktflächen 35k, 36k abgewandt.
Die Anlage 38 ' gemäß Figur l b zeigt einen Vakuumcluster, der aus mehreren, durch eine Vakuumtransferkammer 4' verbundenen Modulen besteht. Die Module können sich in ihrer Funktionalität untereinander unterschieden.
Denkbar sind insbesondere Module zum Erwärmen oder Kühlen von
Substraten bzw. Substratstapeln, Reinigungsmodule, Plasmamodule,
Belackungsmodule mit Schleuderbelackern oder Sprühbelackern, Bonder 1 und Debonder, Beschichtungsmodule, Ausrichtungsmodule 6. Die Module werden mit Vorzug kreisförmig bzw. sternförmig um eine
Vakuumtransferkammer 4' angeordnet.
Die Vakuumtransferkammer 4' ist über Ventile 2 mit den verschiedenen Modulen verbunden. Die Module sowie die Vakuumtransferkammer 4' können durch die Ventile 2 unabhängig voneinander evakuiert werden, befinden sich aber mit Vorzug immer auf dem gleichen Vakuumlevel, bevorzugt dem Hochvakuumlevel der Bondeinrichtung 6.
Die Bondeinrichtung 6 ist in den Figuren 2 bis 9 in verschiedenen
Bearbeitungszuständen dargestellt. Die Bondeinrichtung 6 ist auf einer statischen Tragkonstruktion 23 in Form einer Bodenplatte und auf der Bodenplatte fixierten Säulen aufgebaut. Auf den Säulen ist die Bondkammer 1 0 fixiert.
Die Bondkammer 10 weist eine mit dem Ventil 2 verschließbare
Kammeröffnung 6o zum Beladen der Bondkammer 1 0 auf.
Das Ventil 2 wird gebildet aus einem an der Bodenplatte abgestützten, Schleusenantrieb 24, insbesondere in Form eines Aktuators. Der
Schleusenantrieb 24 dient zum Öffnen und Schließen eines von dem
Schleusenantrieb 24 angetriebenen Schleusentors 27, das die Kammeröffnung 6o durch einen Schlitz 6s öffnet und schließt. Das Ventil 2 weist Dichtungen 28 zum Abdichten der Bondkammer 10 gegenüber der Umgebung im
geschlossenen Zustand des Ventils 2 auf.
Weiterhin umfasst die Bondeinrichtung 6 eine Aufnahmeeinrichtung 1 8 zur Aufnahme des Substratstapels 14. Die Aufnahmeeinrichtung 1 8 umfasst eine Substratauflage mit einer Auflageebene E, auf der der Substratstapel 14 mit der zweiten Oberfläche 36o abgelegt wird, so dass die zweite Oberfläche 36o in der Auflageebene E liegt.
Die Substratauflage wird gebildet durch mindestens zwei die Bondkammer 10 durchsetzende Beladestifte 21 , im gezeigten Ausführungsbeispiel vier
Beladestifte 21 . Die Bondkammer 10 ist durch die Beladestifte 21
umschließende Dichtungen 20 gegenüber der Umgebung der Bondkammer 10 abgedichtet. Die Dichtungen 20 dienen gleichzeitig zur gleitenden,
translatorischen Führung der Beladestifte 21 .
Am der Substratauflage gegenüberliegenden Ende der Beladestifte 21 sind diese auf einer, insbesondere gemeinsamen, Stellplatte 21 p fixiert. Die Beladestifte 2 1 sind mit Vorzug durch die Stellplatte 21 p mechanisch miteinander gekoppelt und werden durch einen auf die Stellplatte 21 p, insbesondere zentrisch, einwirkenden Stellantrieb 22, bevorzugt in Form eines einzigen, alternativ mittels mehrerer Beladestiftaktuator(en),
translatorisch quer zur Auflageebene E bewegt.
Innerhalb der Beladestifte 21 ist eine zweite Heizeinrichtung 26 zum Heizen der zweiten Oberfläche 36o und eine auf der zweiten Heizeinrichtung 26, insbesondere vollflächig, fixierte zweite Druckplatte 25 angeordnet. Die zweite Druckplatte 25 weist eine zweite Heizfläche 19 auf, die unterhalb der Auflageebene E parallel zu dieser anordenbar ist. Die Heizeinrichtung 26 und die Druckplatte 25 sind fix mit der Bondkammer 10 verbunden und statisch, also nicht gegenüber der Auflageebene E beweglich.
Gegenüberliegend zur zweiten Heizfläche 19 ist eine erste Heizfläche 15 parallel zur Auflageebene E und oberhalb dieser anordenbar. Die erste
Heizfläche 1 5 ist an einer ersten Druckplatte 29 angeordnet, die wiederum an einer ersten Heizeinrichtung 30, insbesondere vollflächig, fixiert ist.
Die Heizeinrichtung 30 ist durch Antriebsmittel quer zur Auflageebene verstellbar. Die Heizeinrichtung 30 an einer die Bondkammer 10
durchsetzenden Stellstange fixiert. Die Stellstange wird am der
Heizeinrichtung 30 gegenüberliegenden Ende von einem Positionsaktuator 8 zur Steuerung der Position, insbesondere eines Abstands A der ersten
Heizfläche 15 zu der ersten Oberfläche 35o, der ersten Heizfläche 1 5 bewegt. Zur Druckbeaufschlagung, insbesondere nach Kontaktierung der ersten Oberfläche 35o mit der ersten Heizfläche 1 5 und der Kontaktierung der zweiten Oberfläche 36o mit der zweiten Heizfläche 1 9, dient ein
Kraftaktuator 9, der die für das Bonden notwendige, höhere Druckkraft aufbringen kann. Die Bondkammer 1 0 ist durch die Antriebsmittel
abdichtende Dichtungen 3 1 gegenüber der Umgebung abgedichtet.
Die Antriebsmittel sind an einer Tragkonstruktion 7, bestehend aus einer Deckenplatte und die Deckenplatte tragenden Säulen, aufgehängt. Der erfindungsgemäße Prozess nachfolgend an Hand der Figuren 2 bis 9 beschrieben.
In einem ersten erfindungsgemäßen Schritt gemäß Figur 2 wird der Roboter 34 mit dem Substratstapel 14 in eine Bondkammer 10 der Bondeinrichtung 6 bewegt, insbesondere eingeschleust. Im ersten Schritt befindet sich die erfindungsgemäße Aufnahmeeinrichtung 1 8 zur Aufnahme des Substratstapels 14 auf einer Ausgangshöhe. In der Ausgangshöhe ist der Substratstapel 14 bezogen auf die Kontaktflächen 35k, 36k mit Vorzug symmetrisch zur ersten Heizfläche 1 5 und zur zweiten Heizfläche 29 positioniert. Diese
symmetrische Ausgangsposition ist vor allem dann von Bedeutung, wenn die zweite Druckplatte 25 und/oder die erste Druckplatte 29 durch ihre
entsprechenden Heizeinrichtungen 26, 30 vorgeheizt wurden.
In einem zweiten erfindungsgemäßen Schritt gemäß Figur 3 erfolgt die Positionierung des Substratstapels 14 in einer solchen Position, dass die Fixierungen 1 1 zur Fixierung des Substratstapels, insbesondere
Magnetklemmen 1 1 , beim späteren Zusammenfahren der Heizflächen 1 5, 1 9 genau in dafür vorgesehenen Ausnehmungen der Druckplatten 25 , 29 aufgenommen werden können.
Des Weiteren ist darauf zu achten, dass der Substratstapel 14 möglichst zentrisch zu den Beladestiften 21 beladen und positioniert wird, um ein Abrutschen oder Verrutschen zu verhindern.
In einem dritten erfindungsgemäßen Schritt gemäß Figur 4 wird der Roboter 34 von dem Substratstapel 14 entfernt, damit der Substratstapel 14 auf den Beladestiften 21 aufliegt. Die zweite Oberseite 36o liegt j etzt in der
Auflageebene E. In einem vierten erfindungsgemäßen Schritt gemäß Figur 5 erfolgen die Entfernung des Roboters 34 aus der Bondkammer 1 0 sowie das Schließen der ■Schleuse 27. Nach dem Verschließen kann das Innere der Bondeinrichtung 6 über eine Pumpe 16 auf ein noch höheres Vakuum evakuiert werden, sollte das in der angrenzenden Vakuumtransferkammer 4 herrschende Vakuum zu gering für den Bondvorgang eingestellt sein.
In einem fünften erfindungsgemäßen Schritt gemäß Figur 6 erfolgt nun das symmetrische Aufheizen der beiden voneinander abgewandten Oberflächen 35o, 36o des Substratstapels 14. Denkbar wäre natürlich auch, dass die beiden Heizer 26 und 30 bereits vor dem Einfügen des Substratstapels 14 auf Bondtemperatur eingestellt waren und gehalten wurden, was die Aufheizzeit der Druckplatten 29, 30 und der Heizeinrichtungen 26, 30 praktisch auf Null reduziert.
Das Aufheizen erfolgt durch von den Heizeinrichtungen 26, 30 erzeugte und über die Heizflächen 1 5, 19 als Strahlungswärme 17 abgegebene
Wärmeleistung.
Der erfindungsgemäße Gedanke zeigt sich insbesondere in diesem
Prozessschritt. Durch die symmetrische Positionierung des Substratstapels 14 können die Temperaturfelder oberhalb und unterhalb des Substratstapels 14 vollständig äquivalent eingestellt werden, sofern die beiden
Heizeinrichtungen 26, 30 mit gleicher Leistung und gleichen Parametern gesteuert werden und die Druckplatten 25, 29 gleiche oder zumindest sehr ähnliche Eigenschaften und Geometrien/Abmessungen aufweisen.
Der Substratstapel 14 ist insbesondere nicht vollflächig durch eine
Reibungskraft in seiner radialen thermischen Ausdehnung beschränkt, sondern liegt nur peripher auf den Beladestiften 21 auf. Dadurch kann er sich fast frei schwebend symmetrisch dehnen, ohne dass Spannungen oder
Wölbungen verursacht werden. Ein weiterer gravierender Vorteil besteht darin, dass der Kontakt der beiden Substrate 35 , 36 des Substratstapels 14 mit beiden Heizflächen 1 5, 19 zumindest während des Aufheizprozesses vermieden wird.
In einem sechsten erfindungsgemäßen Schritt gemäß Figur 7 erfolgt die symmetrische Annäherung des Substratstapels 14 an die zweite Heizfläche 19 und die erste Heizfläche 1 5. Die zweite Druckplatte 25 (insbesondere
Probenhalter) ist dabei statisch und bewegt sich nicht. Vielmehr werden die Beladestifte 2 1 mittels der Beladestiftaktuatoren 22 auf die erste Heizfläche 1 5 zu bewegt. Gleichzeitig bewegt sich die erste Heizfläche 15 auf die zweite Heizfläche 1 9 bzw. den Substratstapel 14 zu.
Um den Abstand A zwischen dem Substratstapel 14 und der ersten Heizfläche 1 5 gleich dem Abstand B zwischen dem Substratstapel 14 und der zweiten Heizfläche 1 9 gleich zu halten, wird die erste Heizfläche mit der doppelten Geschwindigkeit der Beladestifte 21 bewegt. Denkbar wäre allerdings auch ein anderes Geschwindigkeitsprofil, um eine gezielte Abstandsfunktion und damit Temperaturfunktion auf den Substratstapel und somit eine zumindest teilweise asymmetrische Annäherung zu realisieren.
Erfindungsgemäß denkbar wäre auch eine Umkehrung, bei dem die erste Heizfläche 1 5 statisch ausgeführt ist und sich die Beladestifte 21 sowie die zweite Heizfläche 1 9 in Richtung der ersten Heizfläche 1 5 bewegen.
In besonderer Ausführungsform wäre auch eine, insbesondere gleich schnelle, gegenläufige, Bewegung der beiden Heizflächen 1 5 , 19 bei statischen
Beladestiften 21 denkbar.
In einem erfindungsgemäß siebten Schritt gemäß Figur 8 erfolgt schließlich die Kontaktierung der Heizflächen 1 5, 19 mit dem Substratstapel 14. Die hierbei durch den Positionsaktuator 8 aufgebrachte Kraft reicht aus, um die beiden Substrate 35 und 36 so stark aufeinander zu pressen, dass die so erzeugte Reibungskraft eine gegenseitige Verschiebung entlang der
Auflageebene E nicht mehr zulässt (Kraftschluss).
Jetzt kann die Bondeinrichtung 6 mit Gas gespült werden.
Vorzugsweise wird das Gas durch Leitungen innerhalb der zweiten
Druckplatte 25 und/oder ersten Druckplatte 29 eingeleitet und verteilt sich bei Verwendung einer ersten Druckplatte 29 und/oder zweiten Druckplatte 30 mit Noppen 37 bzw. je einer auf die Druckplatten aufgebrachten zusätzlichen Noppendruckplatte 42, 42' zwischen den Noppen 37 in Strömungskanälen 32.
Gas, das zwischen die Noppen 37 zugeführt wird, kann durch einen die Noppen 37 am Rand der Druckplatte 25 , 29 befindlichen und sich über den gesamten radialen Randbereich erstreckenden Steg 40 zurückgehalten werden. Der Steg schließt insbesondere formschlüssig mit dem zu
bearbeitenden Substrat 35 , 36 an dessen Umfangsrand ab.
Es ist außerdem denkbar, den Steg 40 mit einem einen Durchlass 41 zu versehen, der ein kontrolliertes Entweichen des überschüssigen Gases aus der Noppenfläche ermöglicht. Der Durchlass 41 ist vorteilhafterweise kleiner als 10 μπι Durchmesser, mit Vorzug kleiner als 7 μιη, mit größerem Vorzug kleiner als 5 μηι.
Werden keine Noppen 37 bzw. Noppendruckplatten 42, 42 ' verwendet, verteilt sich das Gas durch die vorhandene Oberflächenrauigkeit der
Heizflächen 15 , 1 9, welche die Noppen 37 ersetzt.
Die Figur 12 zeigt eine, nicht maßstabsgetreue, schematische Oberansicht der auf der ersten Druckplatte 29 fixierten Noppendruckplatte 42 mit mehreren Noppen 37 mit einer Noppenhöhe H. Die Dichte der Noppen 37 ist in den Figuren 1 1 und 12 sehr gering gehalten, um die Anschaulichkeit zu erhöhen. Vorzugsweise weisen die Noppendruckplatten 42, 42 ' j eweils mindestens 50, insbesondere regelmäßig und/oder gleich verteilte, Noppen 37, noch bevorzugter jeweils mindestens 100, noch bevorzugter j eweils mindestens 200, noch bevorzugter j eweils mindestens 400, auf.
Figur 1 1 zeigt eine schematische Schnittansicht gemäß Schnittlinie A-A aus Figur 10 mit der zweiten Druckplatte 25 mit der Noppendruckplatte 42 ' . Man erkennt in dieser Darstellung, dass nicht die gesamte Oberfläche der
Substrate 35 , 36 auf den Noppen 37 aufliegt, wodurch die Wahrscheinlichkeit der Kontamination der Substrate 35 , 36 verringert wird.
Die Abstände A und B sind auf Null reduziert, so dass ein Kontakt zwischen Heizflächen 1 5 , 19 der Noppendruckplatten 42, 42 ' und den Oberflächen 35o, 36o besteht.
Verfahren und Vorrichtung zum Bonden von Substraten
B e zu g s z e i c h e nl i s t e
Ausrichtungseinrichtung
Ventile
Dichtungsring
, 4' Vakuumtransferkammer
Vakuumtransferstrecke
Bondeinrichtung
o Kammeröffnung
s Schlitz
Tragkonstruktion
Positionsaktuator
Kraftaktuator
0 Bondkammer, insbesondere Vakuumkammer
1 Fixierungen
4 Substratstapel
5, 15' Erste Heizfläche
6 Pumpe
7 Strahlungswärme
8 Aufnahmeeinrichtung, insbesondere Substratauflage9, 19' Zweite Heizfläche
0 Dichtungen
1 Beladestifte
1p Stellplatte
2 Stellantrieb, insbesondere Beladestiftaktuator
3 Tragkonstruktion
4 Schleusenantrieb 25 zweite Druckplatte
26 Zweite, insbesondere untere, Heizeinrichtung
27 Ventil
28 Schleusendichtungen
29 Erste Druckplatte
30 Erste, insbesondere obere, Heizeinrichtung
3 1 Dichtungen
32 Strömungskanäle
34 Roboter, insbesondere Prozessroboter
35 Erstes, insbesondere oberes, Substrat
35k Erste Kontaktfläche
35o Erste Oberfläche
36 Zweites, insbesondere unteres, Substrat
36k Zweite Kontaktfläche
36o Zweite Oberfläche
37 Noppen
38, 38 ' Anlage, insbesondere Vakuumcluster, vorzugsweise
Hochvakuumcluster
39 Schleusen
40 Steg
41 Durchlass
42, 42 ' Noppendruckplatte
A Abstand
B Abstand
E Auflageebene
H Noppenhöhe

Claims

Verfahren und Vorrichtung zum Bonden von Substraten
P a t e n t a n s p r ü c h e Verfahren zum Bonden einer ersten Kontaktfläche (35k) eines ersten Substrats (35) mit einer zweiten Kontaktfläche (36k) eines zweiten Substrats (36) mit folgenden Schritten, insbesondere folgendem Ablauf:
- Anordnung eines aus dem ersten Substrat (35) und dem zweiten
Substrat (36) gebildeten, an den Kontaktflächen (35k, 36k) ausgerichteten Substratstapels ( 14) zwischen einer ersten Heizfläche ( 15) einer ersten Heizeinrichtung (30) und einer zweiten Heizfläche ( 1 9) einer zweiten Heizeinrichtung (26), wobei
a) die erste Heizfläche ( 15) einer von der ersten Kontaktfläche
(35k) abgewandten ersten Oberfläche (35o) des ersten Substrats (35) zugewandt angeordnet wird,
b) die zweite Heizfläche ( 19) einer von der zweiten Kontaktfläche (36k) abgewandten zweiten Oberfläche (36o) des zweiten
Substrats (36) zugewandt angeordnet wird,
c) zwischen der ersten Oberfläche (35o) und der ersten Heizfläche ( 1 5) ein Abstand A > Ομηι vorliegt und
d) zwischen zweiten Oberfläche (36o) und der zweiten Heizfläche ( 1 9) ein Abstand B > Ομηι vorliegt,
- Heizen der Heizflächen ( 1 5, 19) und Annähern des Substratstapels (14) an die Heizflächen ( 1 5, 19) durch Verringerung der Abstände A und B auf Ομιη,
- Ausbildung eines Bonds zwischen der ersten Kontaktfläche (35k) und zweiten Kontaktfläche (36k) durch Druckbeaufschlagung des Substratstapels (14) an den Oberflächen (35o, 36o).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei dem das Annähern an die Heizflächen ( 15, 19) symmetrisch zum Substratstapel ( 14), insbesondere
symmetrisch zu den Oberflächen (35o, 36o) und/oder symmetrisch zu den Kontaktflächen (35k, 36k), und/oder mit gleicher Temperatur der Heizflächen (15, 1 9) erfolgt.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die
Heizflächen ( 15 , 1 9) jeweils größer sind als die den Heizflächen ( 1 5, 19) j eweils zugewandten Oberflächen (35o, 36o) des Substratstapels ( 14).
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste Heizfläche ( 15) oder die zweite Heizfläche ( 19) beim Annähern nicht bewegt wird.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die
Heizeinrichtungen (30, 26) beim Heizen und das Annähern derart gesteuert werden, dass zumindest während der überwiegenden Dauer des Annäherns die Differenz der mittleren Temperatur des ersten Substrats (35) und der mittleren Temperatur des zweiten Substrats (36) kleiner 5°C, insbesondere kleiner 1 °C, bevorzugt kleiner 0,5οΟ, noch bevorzugter kleiner 0, 1 °C, beträgt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der
Substratstapel (14) vor der Anordnung zwischen den Heizflächen (1 5, 19) vorgeheizt wird, insbesondere außerhalb einer die
Heizeinrichtungen (30, 26), insbesondere vakuumierbar,
umschließenden Bondkammer (10) einer Bondeinrichtung (6).
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Anordnung des Substratstapels ( 14) zwischen den Heizflächen ( 1 5 , 1 9) und/oder das Heizen und/der das Annähern und/oder die Ausbildung des permanenten Bonds im Vakuum erfolgt/erfolgen.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Heizeinrichtungen (30, 26) beim Heizen und das Annähern derart gesteuert werden, dass die an de ersten Oberfläche (35o) auftreffende Strahlungsenergie ( 17) der ersten Heizfläche ( 1 5) während des
Annäherns gleich ist wie die an der zweiten Oberfläche (36o) auftreffende Strahlungsenergie ( 1 7) der zweiten Heizfläche ( 1 9).
9. Vorrichtung zum Bonden einer ersten Kontakifläche (35k) eines ersten Substrats (35) mit einer zweiten Kontaktfläche (36k) eines zweiten Substrats (36) mit:
- Aufnahme eines aus dem ersten Substrat (35) und dem zweiten
Substrat (36) gebildeten, an den Kontaktflächen (35k, 36k) ausgerichteten Substratstapels ( 14) mittels einer zwischen einer ersten Heizfläche ( 15) einer ersten Heizeinrichtung (30) und einer zweiten Heizfläche ( 19) einer zweiten Heizeinrichtung (26) angeordneten Aufnahmeeinrichtung ( 1 8), die derart anordenbar und steuerbar ist/sind, dass
a) die erste Heizfläche (15) einer von der ersten Kontaktfläche (35k) abgewandten ersten Oberfläche (35o) des ersten Substrats (35) zugewandt angeordnet ist,
b) die zweite Heizfläche ( 19) einer von der zweiten Kontaktfläche (36k) abgewandten zweiten Oberfläche (36o) des zweiten
Substrats (36) zugewandt angeordnet ist,
c) zwischen der ersten Oberfläche (35o) und der ersten Heizfläche ( 1 5) ein Abstand A > Ομπι vorliegt und
d) zwischen zweiten Oberfläche (36o) und der zweiten Heizfläche ( 1 9) ein Abstand B > Ομιη vorliegt,
- Heizeinrichtungen (26, 30) zum Heizen der Heizflächen ( 15, 19) und Antriebsmitteln zum Annähern des Substratstapels ( 14) an die Heizflächen ( 15, 19) durch Verringerung der Abstände A und B auf Ομπι,
- Bündmitteln zur Ausbildung eines Bonds zwischen der ersten
Kontaktfläche (35k) und zweiten Kontaktfläche (36k) durch Druckbeaufschlagung des Substratstapels ( 14) an den Oberflächen (35o, 36o).
1 0. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die erste Heizfläche (1 5) und/oder die zweite Heizfläche (19) durch Noppen (37) mit zwischen den
Noppen (37) verlaufenden Strömungskanälen (32) zur Beaufschlagung, insbesondere Durchströmung, mit einem Gas gebildet sind,
1 1 . Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Strömungskanäle (32) von einem, insbesondere ringförmigen, Steg (40) zur Abdichtung der Strömungskanäie (32) zum ersten und/oder zweiten Substrat (35, 36) umgeben, insbesondere umschlossen, sind.
12. Vorrichtung nach Anspruch 1 1 , wobei der Steg (40) eine Öffnung (41) zum kontrollierten Ausleiten des Gases aufweist.
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