WO2024002494A1 - Verfahren zum bonden eines ersten substrats mit einem zweiten substrat, vorrichtung zum bonden und anordnung aus erstem und zweitem substrat - Google Patents

Verfahren zum bonden eines ersten substrats mit einem zweiten substrat, vorrichtung zum bonden und anordnung aus erstem und zweitem substrat Download PDF

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WO2024002494A1
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WO
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substrate
bonding
curvature
deformation
section
Prior art date
Application number
PCT/EP2022/068275
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English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Wimplinger
Christian MÜHLSTÄTTER
Original Assignee
Ev Group E. Thallner Gmbh
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Publication date
Application filed by Ev Group E. Thallner Gmbh filed Critical Ev Group E. Thallner Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
    • H01L21/67—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67005—Apparatus not specifically provided for elsewhere
    • H01L21/67011—Apparatus for manufacture or treatment
    • H01L21/67092—Apparatus for mechanical treatment

Definitions

  • the present invention relates to a method for bonding a first substrate to a second substrate, a device for bonding and an arrangement of first and second substrates.
  • the connection process is called bonding.
  • the bonding process can be either temporary or permanent.
  • a temporary bond is usually only used to bond a product substrate to a carrier substrate in order to be able to process it.
  • a permanent bond is used to permanently connect two substrates.
  • the substrates to be bonded are preferably product substrates.
  • Each of the product substrates generally already has structures, in particular entire functional units such as microchips, memory chips, LEDs, MEMS, etc. Through permanent bonding, product substrates with different functional units can be combined to form a substrate stack.
  • a special type of direct bond is a merger bond.
  • a fusion bond is a direct bond of dielectric substrate surfaces, in particular of oxide substrate surfaces.
  • a particularly important merger bond is a hybrid bond.
  • a hybrid bond is a bond between two substrate surfaces that consist of electrical and dielectric areas. The dielectric areas are usually an oxide, in particular a silicon oxide.
  • the silicon oxide is opened in several places through different process steps.
  • the openings are usually radially symmetrical openings. These openings are then filled with a metal.
  • the metal extends to the functional units that were buried under the dielectric layer and represent the outward-reaching contacts.
  • a substrate surface consisting of a mainly dielectric area and several, small, distributed electrical areas remains.
  • Several such substrates can then be aligned with one another using a hybrid bond and contacted with one another. It is of fundamental importance that the metallic areas contact each other correctly, otherwise there will be no electrical contact between the functional elements.
  • the metallic areas are called plated-through holes (English via, pl. vias). If the via also passes through silicon, they are usually called silicon vias (TSVs, through-silicon vias).
  • TSVs silicon vias
  • a key quality criterion for bonded substrates is the precision of the position of the structures, especially the through-hole plating. This is called an “overlay.” This basically means the actual position of the structures compared to the expected position of the structures.
  • TSVs can have feature sizes in the micrometer range.
  • Entire microchips have structure sizes in the millimeter or micrometer range. All structures are developed using software and stored digitally. This means that every structure that is created on the substrate in a later manufacturing process first has a well-defined, exact position and size in the computer. This idealized state is referred to below as the target state.
  • each process step can generally only be carried out with a certain degree of accuracy or is subject to errors.
  • the diffraction limit is a classic example of the maximum achievable accuracy in photolithography when it comes to transferring the structure of a mask into a photoresist. Although this physical limit can be exhausted, it cannot be circumvented.
  • a typical example of an error-prone process would be play in mechanical engineering elements that have to perform a movement. The machine components cannot be built without play and therefore always produce some kind of error which ultimately affects the accuracy of the manufactured structures.
  • overlay is used much more generally in the semiconductor industry. Overlay is generally understood to mean the set of displacement vectors of individual points on a substrate, which represent the displacement of the point from a position before a process step to a position after the process step. Each individual step of a process can lead to a shift in the structures and thus to an overlay.
  • the state before the method step is then referred to as the target state and the state after the method step is referred to as the actual state.
  • edge voids Another problem are so-called edge voids. These micrometer to millimeter-sized defects, which are probably gas inclusions, have been a well-known and disruptive problem in the semiconductor industry for years. The formation of edge defects is still a very closely studied phenomenon in technology, and their prevention is a desirable goal.
  • Another problem is increased distortions at the edge of the substrates. Although distortions generally occur along the entire substrate surface during the bonding process, the distortions are particularly strong at the edge. Based on this, the present invention sets itself the task of avoiding the disadvantages known from the prior art or reducing their impact on the bonding process and the bonded product.
  • the present invention solves the problem with a method for bonding a first substrate to a second substrate according to claim 1 and with a device for bonding according to claim 7 and an arrangement according to claim 15.
  • Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims. All combinations of at least two features specified in the description, in the claims and/or the drawings also fall within the scope of the invention. In the case of specified value ranges, values lying within the stated limits should also be considered as limit values and can be used in any combination. If properties are described in the description and the claims for the first substrate and the first substrate holder, these apply analogously to the second substrate and the second substrate holder.
  • a method for bonding a first substrate to a second substrate wherein the first substrate has a primary section and the second substrate has a secondary section, wherein when bonding the first substrate to the second substrate, a bonding direction proceeds along a bonding direction Bond wave between the first substrate and the second substrate.
  • a second subsection in which the first substrate and the second substrate are still to be connected, is formed, preferably a subregion of the second substrate in the second subsection opposite a subregion of the second substrate in the first subsection in a direction perpendicular to a main extension plane is offset in height and wherein for the relative alignment of the primary section and the secondary section to one another, in particular with respect to a direction essentially parallel to the bonding direction, a first curvature of the first is created by means of a deformation system in a region adjacent to the bonding shaft and/or in a region encompassing the bonding shaft Substrate and / or a second curvature of the second substrate is modified.
  • the first curvature and / or the second curvature is specifically locally modified in the area adjacent to the bonding wave or in the area comprising the bonding wave, in particular immediately before the the area adjacent to the bonding shaft is bonded.
  • a corresponding adjustment is made, which ensures that after the bonding process, the primary section and the secondary section are arranged one above the other, preferably congruent to one another, in a direction perpendicular to the main extension plane .
  • the overlay is optimized.
  • the first or second curvature is influenced specifically in an area that is adjacent to the bonding wave and/or encompasses the bonding wave, ie specifically in a locally limited area.
  • a targeted local influence on the first or second curvature is carried out.
  • a global or globally acting deformation can also be provided.
  • only the first substrate or the second substrate, ie only one of the substrates to be bonded, is influenced by a deformation system Substrates. This advantageously reduces the number of parameters to be controlled and monitored and limits it to the handling of a single substrate.
  • the modification of the first and/or second curvature serves to adapt the first curvature and the second curvature to one another in the area adjacent to the bonding shaft. It is conceivable, for example, that a difference between the first curvature and the second curvature should not exceed a set threshold value or should be kept essentially constant.
  • a curvature is to be understood in particular as the reciprocal value of a radius of the circle whose sectional course describes the curved partial region of the first substrate or the second substrate.
  • the bonding between the first substrate and the second substrate takes place via the substrate surfaces of the first substrate and the second substrate, which are connected to each other during bonding, i.e. H. during the bonding process or process.
  • the main extension plane is preferably formed by a support surface of a substrate holder, i.e. H. a first substrate holder and/or second substrate holder.
  • the general course of the support surface preferably extends along the main extension plane.
  • the main extension plane is determined by the general course of the first subsection, in particular by the general course of the area of the first subsection, which is not curved or runs free of a curvature and is essentially flat.
  • the bonding process is characterized in particular by the fact that, during bonding, the first section in which the bonding has already taken place is arranged essentially in the main extension plane, while the first substrate and / or the second substrate in the second section are perpendicular to the first section is at least partially offset in height from the direction running in the main extension plane.
  • the first substrate is lifted in sections in the area adjacent to the bonding shaft.
  • the second substrate By spacing the second substrate holder from the second substrate holder, the second substrate also has a second curvature in the area adjacent to the bonding shaft.
  • the area adjacent to the bonding wave or the area surrounding the bonding wave extends over at least 5 mm, preferably at least 2.5 mm and particularly preferably at least 1 mm.
  • the deformation or the modification and effect on the first curvature caused by the deformation sections or the deformation system or fixing elements is negligibly small.
  • the area adjacent to the bonding wave or encompassing the bonding wave can extend over the first subarea and the second subarea.
  • the bonding is preferably a direct bonding, preferably a fusion bonding and particularly preferably a hybrid bonding.
  • the substrates are preferably wafers, for example silicon wafers, which are particularly preferably bonded by bonding to a product substrate or a temporary substrate.
  • the first curvature and/or the second curvature is preferably adjusted by means of a deformation system that includes coatings, fixing elements and/or deformation means.
  • fixing elements to be, in particular, those devices which are intended to hold partial sections of the first and/or second substrate.
  • the individual fixing elements can be transferred individually or in groups between a fixing state and a release state.
  • the fixing elements serve to specifically allow partial areas of the first substrate and the second substrate to come into contact.
  • individual fixing elements in a second substrate holder are transferred to the release state in order to drop a portion of the second substrate in order to come into contact with a corresponding portion of the first substrate.
  • a functional unit is understood by a person skilled in the art to mean, in particular, a structure that has a functional character and that can therefore be viewed as an active part. Examples of this would be microchips, memory chips, LEDs, MEMS, etc.
  • a person skilled in the art understands a shift in particular to mean the change in position of a point from a first position to a second position. From a physical point of view, a person skilled in the art preferably understands a distortion or stretch to mean the change in length related to the initial length. Mathematically speaking, it is the partial derivative of the displacement. The expert understands stretching as the lengthening of a body due to distortion or stretching.
  • a target state to be the idealized set of all structures with their ideal positions, in particular generated, calculated and stored in a computer, or the set of all structures before a process step.
  • the person skilled in the art prefers to understand an actual state as the real set, in particular already created on the substrate, of all structures with their real positions or the set of all structures after a process step.
  • the person skilled in the art understands an overlay to be, in particular, a measure of the vector displacement of structures from a first process step to a second process step.
  • An overlay is generally represented as a displacement vector field.
  • Each structure on a substrate can be assigned a position to a first process step and a second process step. The displacement is the difference vector of these two positions and the displacement vector field or overlay is the set of all these difference vectors of all structures.
  • a person skilled in the art preferably understands a substrate holder to mean any component, in particular any group of components, with the help of which a substrate is fixed and with the help of which the advancing bonding wave can be manipulated.
  • the term bond wave is understood to mean the set of all interface points between two substrates connecting to one another, which delimit the outer areas that have not yet been bonded from the inner areas that have already been bonded.
  • a synonym for bond wave (or bond wave) would be bond interface or bond front.
  • the modification of the first curvature and/or the second curvature preferably takes place via fixing elements. The majority of all substrate holders already have corresponding fixing elements.
  • the deformation system has a plurality of deformation means which are arranged along the bonding direction.
  • a plurality of deformation means which are particularly homogeneously distributed along the bonding direction, it is advantageously possible to locally influence the first curvature and/or second curvature throughout the entire bonding process, in particular specifically in the area to be bonded.
  • the deformation means and/or measures are arranged essentially equidistant from one another along the bonding direction. In the case of a radially propagating bonding wave, for example, a radial distance between two adjacent deformation means is essentially constant.
  • a difference between the first and second curvature along the bonding direction is kept essentially constant, at least in sections.
  • the difference between the first and second curvature is preferably kept constant over a distance which accounts for more than 50%, preferably more than 75% and particularly preferably more than 80% of a bonding path, the bonding path denoting the entire length over which the bonding process takes place he follows.
  • the distortion or the extent of the distortion between the first and second substrate can be kept as low as possible, which has a positive effect on any tension between the first substrate and the second substrate, as well as positional accuracy when aligning the first substrate and the second substrate to one another.
  • “Essentially constant” means that the first curvature and/or second curvature is not more than 15%, preferably not more than 10% and particularly preferably not more than 5% compared to twice an arithmetic mean of the first curvature and second curvature.
  • the various deformation means in the individual deformation sections along the bonding path specifically ensure that the first curvature and second curvature are essentially constant in their sum.
  • the influence of the individual deformation means can differ from each other.
  • the deformation means are individualized with regard to their influence or effect for the area to be bonded, which is assigned to the individual deformation means.
  • the deformation system during bonding is changed, for example by means of a control device.
  • the influence emanating from a single deformation means in a deformation section is specifically controlled in order to influence the first curvature and/or the second curvature, in particular during the bonding process.
  • This can advantageously be done during the bonding process.
  • This makes it possible, for example, to react to changes that occur during the bonding process and to adapt the influence to modify the first and/or second curvature accordingly.
  • This can be achieved, for example, preferably by movable components, which can be displaced, for example, along a height direction that runs perpendicular to the main extension plane.
  • the corresponding components can be arranged in a height-offset manner by the control device using appropriate controls.
  • a coating on the substrate holder can be controlled accordingly, for example via an electrical voltage.
  • the movable components are controlled or regulated before and/or during and/or after the passage of the bonding wave in such a way that a new, in particular geometrically changed, state is created for the bonding wave or the area adjacent to the bonding wave by raising or lowering the components .
  • convex and/or concave areas can thereby be created as a function of the location. This controls the distortions locally in the substrates so that an optimal bonding result is achieved.
  • the deformation system is set before bonding. In particular, depending on the type of the first and/or second substrate and in particular preferably by corresponding empirical values, the extent to which the first and/or second curvature is influenced in the individual deformation sections is determined.
  • the bonded substrates are preferably analyzed after the bonding process in order to determine the displacements between the structures on the lower and upper substrate as a function of position.
  • This information makes it possible to modify the substrate surface of the, in particular first, substrate holder so that the behavior of the bonding wave delivers a desired, optimal result at every point.
  • the deformation system is then preferably used for a batch of first and second substrates to be bonded. For example, the roughness and/or waviness and/or adhesion ability of the substrate holder can already be considered and implemented during the production of the substrate holder.
  • the procedure includes the following steps:
  • a first substrate is loaded onto a first substrate holder and fixed.
  • a second substrate is loaded onto a second substrate holder and fixed.
  • the first substrate is preferably aligned with the second substrate, preferably with the aid of appropriate optical devices.
  • the substrate surface of the first substrate is bonded to the substrate surface of the second substrate on a substrate holder.
  • the bonded substrate stack is removed from the device.
  • the substrate stack is heat treated. The modification of the first curvature and/or the second curvature preferably takes place in the fourth step.
  • substrate holders with the device features of the substrate holder with a microstructure and/or a coating are particularly suitable.
  • a first substrate holder with a displaceable component proves to be advantageous.
  • a coating is arranged between the first substrate and a first substrate holder, which supports the first substrate during the bonding process.
  • a layer is preferably deposited as a coating on at least one of the two substrates to be bonded to one another.
  • the layer is applied to the substrate side opposite the substrate side to be bonded. This substrate side is referred to as the substrate back.
  • the thickness of the layer is in particular inhomogeneous, i.e. changes as a function of location.
  • the layer is not applied over the entire surface of the back of the substrate, but only at specially designated locations, but generally at every location with a thickness intended for this purpose.
  • the layer is an inorganic layer.
  • the layer is preferably applied using a PVD, CVD or PE-CVD process.
  • Particularly preferred, in particular by means of PE-CVD is the deposition of a layer exclusively in the periphery of the substrate, preferably in a circle segment with a circle segment thickness between 1 mm and 10 mm. The exact circle segment thickness depends on the result to be achieved.
  • the layer should preferably consist of one of the following material classes, in particular the materials mentioned: metal, oxide, preferably SiO2, carbide, preferably SiCN, SiC, and/or nitride, preferably SiCN and/or SiN.
  • the inorganic layer is an oxide layer between 10 nm and 5000 nm.
  • the exact thickness of the oxide layer depends on the result to be achieved.
  • the layer can be thinned back and/or polished after deposition.
  • the deposition of the coating produces a targeted curvature of the substrate, in particular as a function of the location, in particular in the edge region of the substrate.
  • the layer is preferably deposited at elevated temperatures. When cooling, the substrate and the layer will generally expand differently because their coefficients of thermal expansion are different. This results in the formation of a bend that compensates for the thermal stresses that occur. This bending then also has an influence on the advancing bonding wave during the bonding process.
  • a further subject of the present invention is a device for bonding a first substrate to a second substrate, in particular by means of a method according to the invention, wherein the first substrate has a primary section and the second substrate has a secondary section, the device being configured so that when bonding the First substrate with the second substrate a bonding wave progressing along a bonding direction between
  • a second subsection in which the first substrate and the second substrate are still to be connected, is formed, preferably a subregion of the second substrate in the second subsection opposite a subregion of the second substrate in the first subsection in a direction perpendicular to a main extension plane is offset in height, wherein the device for the relative alignment of the primary section and the secondary section to one another, in particular with respect to a direction substantially parallel to the bonding direction, has a deformation system which is configured to be in a region adjacent to the bonding shaft or in a direction encompassing the bonding shaft Area a first curvature of the first substrate and / or a second curvature of the second substrate can be modified. All advantages and properties described for the method can preferably be applied analogously to the device and vice versa.
  • the device preferably comprises a first and/or a second substrate holder.
  • the substrate holders ie the first and/or second substrate holders, have fixing elements.
  • the primary task of the fixing elements is to hold and in particular to fix the first substrate and/or the second substrate during the bonding process.
  • the bonding process can be specifically adjusted in partial areas of the first substrate and the second substrate, in particular in such a way that a bonding process takes place along the bonding direction trains.
  • the fixing elements can be mechanical fixations, in particular clamps, vacuum fixations, in particular with individually controllable vacuum tracks and/or interconnected vacuum tracks, electrical fixations, in particular electrostatic fixations, magnetic fixations, adhesive fixations, in particular Gel-Pak fixations, fixations with adhesive ones, in particular controllable surface act.
  • the fixing elements can in particular be controlled electronically.
  • Vacuum fixation is the preferred type of fixation.
  • the vacuum fixation preferably comprises several vacuum tracks that emerge from the surface of the substrate holder.
  • the vacuum paths can preferably be controlled individually. In a preferred embodiment, some vacuum paths are combined to form vacuum path segments, which can be individually controlled and therefore evacuated or flooded. However, each vacuum segment is independent of the other vacuum segments. This gives you the option of setting up individually controllable vacuum segments.
  • the vacuum segments are preferably constructed in a ring shape. This enables a targeted, radially symmetrical, in particular from the inside out, fixation and/or detachment of a substrate from the substrate holder.
  • the first substrate is held in a first substrate holder during bonding, wherein the first substrate holder has fixing sections for fixing the first substrate and deformation sections for adjusting the first curvature.
  • the fixing sections additionally or alternatively influence the first and/or second curvature. This can be achieved, for example, by means of a correspondingly modulable fixing force. It is preferably provided that fixing sections and holding sections alternate along the bonding direction at least in sections, preferably over the entire bonding path. It is preferably provided that between two fixing elements the area that comes into contact with the substrate surface has a corresponding influence, so that the first and/or second curvature assumes a desired value. It is preferably provided that the deformation system has a coating.
  • the adhesion capacity of the substrate holder surface by means of a coating as a function of location in order to thereby vary the adhesion strength between the substrate and the substrate holder as a function of location.
  • the adhesion ability could even be switched or regulated in a spatially resolved manner. It is conceivable to use functional polymers that are modified in the micro and nanometer range in such a way that the lotus flower effect known from nature can be imitated. Further developments in research have shown that by using electric and/or magnetic fields, curvature of these polymer structures can cause them to detach from the object attached to them.
  • the detachment of these functional polymers from a substrate would lead to a disappearance of the van der Waals forces and thus make the substrate locally soluble.
  • This enables a switchable, adhesive substrate holder surface.
  • the coating is preferably applied to the substrate holder. However, it is also conceivable that the coating is applied to the substrate and is arranged between the substrate and the substrate carrier during operation of the device.
  • the deformation system preferably has a microstructure on a contact surface of the first substrate holder. This creates roughness on the contact surface. It is conceivable that the substrate holder surface can be structured differently as a function of location in order to thereby vary the adhesion strength between the substrate and the substrate holder as a function of location. It would be conceivable to produce small holes with different geometry, which change in size and/or orientation, particularly depending on the position on the substrate holder.
  • the substrate holder could, for example, be coated with a photopolymer so that the pattern can be imaged into the photopolymer using a photolithographic process. The photopolymer is then developed and stripped. What remains is an etching mask. By using a chemical and/or plasma, the pattern is then transformed into the Substrate surface etched. The photopolymer is then removed. What remains is a structured substrate surface. The pattern is preferably radially symmetrical.
  • the deformation system has a displaceable contact surface. This can be done, for example, via deformation pins which are stored in corresponding recesses and can be moved by a corresponding height as required in order to support the second section at least in some areas in such a way that the desired or preferred first curvature and/or second curvature is set.
  • the displaceable contact surface is formed by a segment into which several fixing elements are integrated. These movable segments can be adjusted as a whole in a height-adjustable manner in the substrate holder. Corresponding segments are preferably ring-shaped and arranged concentrically to one another. During the bonding process, the height of the individual segments in particular is controlled and adjusted, which means that the first curvature in the area adjacent to the bonding wave can be influenced accordingly.
  • the substrate holder has a dynamic, modifiable substrate holder surface.
  • the substrate holder is constructed from movable segments.
  • the segments can be centrally positioned circle segments.
  • the centrally positioned circle segments are divided azimuthally again, so that there are several radially and azimuthally divided segments. Each of these segments can be displaced along a direction normal to the substrate holder surface, thereby influencing the progression of the bonding wave.
  • the substrate holder has controllable or regulatable deformation elements which can be extended over the substrate holder surface.
  • the substrate holder has several, in particular symmetrically distributed, recesses, preferably bores, in which movable deformation elements, in particular pins, are located. These deformation elements can be moved in and out in a controlled manner and thus bring about a local curvature of the substrate fixed to the substrate holder before and/or during and/or after the advancing bonding wave. Since the deformation elements allow more delicate control than the segments of the previous embodiment, the second embodiment may be more advantageous. In addition, such a substrate holder is easier to manufacture and therefore more economical.
  • the deformation elements themselves have fixing elements, in particular a bore through which a vacuum can be generated, so that the deformation elements are able to locally fix the substrate resting on the substrate holder and so not only under pressure but also under tension to claim.
  • the deformation system has a profiled contact surface.
  • the individual deformation sections each have a profiled contact surface.
  • profiled in particular to mean a concave, convex and/or stepped course, which in this way can influence the adhesion and support capacity that, starting from the individual deformation section, acts on the first section and/or second section.
  • the substrate surface has a deviation from flatness at least at the position at which the substrates have their first contact, because in particular the second substrate is pressed onto the first substrate by using a bonding pin. It is preferably a dent, in particular a radially symmetrical dent. Preferably there is also a fixing element in the area of this dent, which promotes the fixation of the first substrate. This pulls the first substrate into the dent.
  • This local creation of a curvature causes the substrate surface of the first substrate to be bonded to be compressed at least to its minimum.
  • a distortion in particular a compression, is introduced before the bond even begins.
  • the fixing elements of the first substrate holder are switched off.
  • the first substrate will slightly stretch the bonded second substrate. This then leads to the stretching in the area in which the bonding wave has just begun to run being increased and, ideally, being the same as the stretching that the second substrate has experienced in those areas where the bonding wave is in a stable state had. It has been shown that by applying such a distortion before bonding, the bonding result can be optimized and improved. It is preferably provided that the deformation sections have different influences on the first substrate.
  • the set height of the individual deformation sections is different.
  • the deformation sections that are displaceable only shift during the bonding process and that there is no displacement as soon as the bonding process begins.
  • the first substrate holder has an elevation in the edge region.
  • This elevation is designed, for example, as a completely closed base.
  • This design feature serves in particular to eliminate or at least reduce edge voids and the distortions that occur at the edge.
  • the increase is greater than 10 nm, preferably greater than 500 nm, more preferably greater than 1000 nm, most preferably greater than 2500 nm, most preferably greater than 5000 nm.
  • the upper substrate of an upper substrate holder is deformed by a bonding pin and brought into contact with the lower substrate. During this deformation process, the substrate surface of the second substrate to be bonded is stretched. The second substrate therefore has a convex curvature when looking at the substrate surface of the second substrate to be bonded.
  • the first substrate therefore has a concave curvature when looking at the substrate surface of the first substrate to be bonded.
  • the substrate resting on the elevation is thereby distorted, in particular compressed, in the edge region of its substrate surface to be bonded.
  • a further subject of the present invention is an arrangement consisting of a first substrate and a second substrate, which is produced using a method according to the invention. All of the advantages and properties described for the device and the method can be transferred analogously to the arrangement and vice versa. Further advantages and features result from the following description of preferred embodiments of the object according to the invention with reference to the attached figures. Individual features of the individual embodiments can be combined with one another within the scope of the invention.
  • FIG. 1 shows a side view of a substrate holder according to a first exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a side view of a substrate holder according to a second exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 3 shows a side view of a substrate holder according to a third exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 4 shows a side view of a substrate holder according to a fourth exemplary embodiment of the present invention
  • Fig. 5 is a side view of an area during the bonding process with low fixation
  • Fig. 6 is a side view of an area during the bonding process with strong fixation.
  • FIG. 1 shows a schematic side view of a first embodiment of a substrate holder 1, which has a plurality of fixing elements 5, which are arranged in particular in different fixing sections.
  • the substrate holder 1 is used in a device for bonding or connecting a first substrate 2u and a second substrate 2o. In the operating state, the substrate holder 1 accommodates one of the substrates 2u, 2o to be connected.
  • the individual fixing elements 5 can be transferred individually or in groups between a fixing state and a release state.
  • This also advantageously allows a bonding direction to be determined along which the first substrate 2u and the second substrate 2o are connected to one another.
  • a bonding process develops along the bonding direction, with a first section that has already been bonded and a second section that still needs to be bonded being separated from one another by a bonding wave 3.
  • the bonding wave 3 shifts along the bonding direction.
  • the substrate holder 1 includes a deformation system.
  • the deformation system preferably comprises a plurality of deformation sections, in each of which a deformation measure, in particular a deformation means, is provided.
  • the deformation system is preferably designed to specifically adjust a curvature of the substrate 2u, 2o locally in an area adjacent to the bonding shaft 3.
  • the adjacent area concerns the area in front of the bonding wave 3, ie the area that is immediately before being bonded.
  • the adjacent area extends over a distance of up to 5 mm.
  • the deformation system is designed to specifically act locally on the portion of the substrate 2a, 2u that is arranged directly in front of the bonding shaft 3.
  • the deformation system provides a deformation section in which the adjacent area is arranged straight and which specifically influences the substrate 2o. 2u to adjust its curvature before bonding. It is preferably provided that several deformation sections are formed along the bonding direction, which can specifically influence the curvature of the substrate 2o, 2u when the area adjacent to the bonding shaft 3 enters the respective deformation section during bonding. In this way, the curvature of the substrate during bonding can be adjusted depending on the location for each section of the substrates to be bonded.
  • the deforming sections are formed by the fixing sections, in particular if the curvature of the substrates is influenced by the fixing elements.
  • the substrate holder surface 1s of the substrate holder 1 has been modified and thus forms a modified substrate surface or modified contact surface 6.
  • the contact surface 6 includes a large number of deformed sections. In the example shown in Figure 1, the deforming sections and fixing sections alternate. For example, it is provided that the contact surface 6 forms a deforming section between two fixing elements.
  • the contact surfaces 6 in the respective deformation sections are modified in such a way that they increase or reduce adhesion between the contact surface 6 in the deformation section and the substrate 2u, 2o.
  • a modification of the contact surface 6 can also require a portion of the substrate to be raised or lowered.
  • the first type of modification can be carried out by a coating 10, in particular by polymers.
  • the coating influences the adhesion strength between the substrate holder 1 and a fixed substrate 2 (not shown), particularly during the progression of a bonding wave during a bonding process.
  • the physical properties of the coating 10 can change as a function of location and thus bring about a locally resolved influence on the bonding process, particularly in the area adjacent to the bonding wave.
  • the second type of modification represents a structured substrate surface 11.
  • a fixed substrate 2 (not shown) has more or less contact with the substrate holder 1 depending on the design of the structured substrate surface 11 and is therefore fixed to a greater or lesser extent.
  • This embodiment should also include the principle of roughness, i.e. the unevenness that occurs in the nanometer and/or micrometer range.
  • the third and fourth types of modification represent a concave curvature 12 and a convex curvature 12 '.
  • These curvatures 12, 12' can have different radii of curvature at different positions of the substrate holder 1. If a substrate 2 (not shown) is shaped into a concave curvature by a fixing element 5, for example mung 12 is pulled, the substrate surface to be bonded is compressed. However, if a substrate 2 (not shown) rests on a convex curvature 12 ', its substrate surface to be bonded is stretched. This makes it possible to adjust the distortion state with spatial resolution.
  • the curvatures 12, 12' are shown as locally limited in the figure.
  • the convex and/or concave curvature extend over larger areas of the substrate holder 1, and in particular include several fixing elements 5. It is also conceivable that the entire substrate holder surface 1s has only one well-defined concave curvature 12 or convex curvature 12'. In this macroscopic case one can also speak of ripple.
  • Figure 3 shows a schematic side view of a third embodiment of a substrate holder 1.
  • the substrate holder 1 has several segments 7 that can be moved independently of one another.
  • the centrally located segment 7 is preferably circular.
  • the other segments 7 can be circle segments. It is also conceivable that these are segments 7, which are also separated from one another in the azimuthal direction.
  • Figure 4 shows a schematic side view of a fourth embodiment of a substrate holder 1.
  • the substrate holder 1 has several deformation elements 9 which can move in recesses 8, preferably bores.
  • the deformation elements can be controlled or regulated.
  • the fixing elements 5 in turn serve to fix the substrate 2 (not shown), while the deformation elements 9 can introduce distortions into the substrate 2 (not shown).
  • the following two figures represent the physical principle of the bonding process, as is possible with the substrate holders 1 described above.
  • 5a shows the schematic side view of a bonding process between two substrates 2u, 2o along the advancing bonding wave 3.
  • the lower substrate 2u was loaded and fixed on a lower substrate holder 1u, the upper substrate 2o on an upper substrate holder 1o.
  • a right-hand section of the bonding process is shown.
  • the bond wave 3 is only shown as a point in the side view.
  • the bond wave 3 advances from left to right in the side view. It can be seen that the upper substrate 2o on the left side has already been connected to the lower substrate 2u in the first section, while it is still held by the upper substrate holder 1o in the second section on the right side.
  • FIG. 5b shows the schematic side view of a bonding process between two substrates 2u, 2o along the advancing bonding wave 3, in which the lifting of the lower substrate 2u from the substrate holder 1 is less severe than in Figure 5a. This is due to the influence of a deforming section that influences the first curvature.
  • the lower substrate 2u is prevented from lifting off to a greater extent simply by a stronger fixing effect of the fixing element 5. This would be the easiest method to implement, since almost all substrate holders 1 have fixing elements 5. It would be conceivable that the substrate surface has been modified and has a higher adhesive effect at this point. It would be conceivable that the substrate surface was coated and the adhesive effect was therefore higher. In contrast to Figure 5a, the lower substrate 2u does not stand out from the lower substrate holder 1u because the corresponding fixing force is stronger. This also creates smaller distortions 4u in the lower substrate 2u as a result of the bonding process. In general, the distortions 4o in the upper substrate 2o can also change. In order to better illustrate the bonding process, it is assumed that the distortions 4o in the upper substrate 2o do not change or only change negligibly. This makes a particularly simple comparison of the distortion ratios between Figure 5a and Figure 5b possible.
  • Figure 5c shows the schematic side view of a bonding process between two substrates 2u, 2o along the advancing bonding wave 3, in which the lifting of the lower substrate 2u from the substrate holder 1 is greater than in Figure 5a.
  • This is due to the influence of a deforming agent that influences the first curvature.
  • the lower substrate 2u simply experiences a greater lift due to a weaker fixing effect of the fixing element 5 because it can be pulled upwards more easily from the upper substrate 2o.
  • Figure 6 shows the schematic side view of a bonding process between two substrates 2u, 2o along the advancing bonding wave 3, in which the bonding wave 3 is already very close to the edge of the substrates 2u, 2o.
  • the distortion 2u of a lower substrate 2u can be adjusted by means of an increase 13 in such a way that a resulting distortion 4r, which is desired, is produced with the distortion 4o of the upper substrate.
  • This embodiment is particularly important in order to eliminate or at least reduce the edge voids that occur.
  • the aim is preferably for the resulting distortions 4r to be at least homogeneous, i.e. to be the same size at every position, at least in terms of magnitude.

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Abstract

Verfahren zum Bonden eines ersten Substrats (2u) mit einem zweiten Substrat (2o), wobei das erste Substrat (2u) einen Primärabschnitt und das zweite Substrat (2o) einen Sekundärabschnitt aufweist, wobei beim Bonden des ersten Substrats (2u) mit dem zweiten Substrat (2o) eine entlang einer Bondrichtung fortschreitende Bondwelle (3) zwischen - einem ersten Teilabschnitt, in dem das erste Substrat (2u) und das zweite Substrat (2o) verbunden sind, und - einem zweiten Teilabschnitt, in dem das erste Substrat (2u) und das zweite Substrat (2o) noch zu verbinden sind, gebildet wird, wobei vorzugsweise ein Teilbereich des zweiten Substrats (2o) im zweiten Teilabschnitt gegenüber einem Teilbereich des zweiten Substrats (2o) im ersten Teilabschnitt in einer senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung höhenversetzt ist, und wobei zur relativen Ausrichtung des Primärabschnitts und des Sekundärabschnitts zueinander, insbesondere in Bezug auf eine im Wesentlichen parallel zur Bondrichtung verlaufenden Richtung, mittels eines Verformungssystems in einem an die Bondwelle (3) angrenzenden und/oder in einem die Bondwelle (3) umfassenden Bereich eine erste Krümmung des ersten Substrats (2u) und/oder eine zweite Krümmung des zweiten Substrats (2o) modifiziert wird.

Description

Verfahren zum Bonden eines ersten Substrats mit einem zweiten Substrat, Vorrichtung zum Bonden und Anordnung aus erstem und zweitem Substrat
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bonden eines ersten Substrats mit einem zweiten Substrat, eine Vorrichtung zum Bonden und eine Anordnung aus erstem und zweitem Substrat.
In der Halbleiterindustrie existieren mehrere unterschiedliche Verfahren um Substrate, insbesondere Wafer, miteinander zu verbinden. Der Verbindungsvorgang wird als Bonden bezeichnet. Der Bondvorgang kann entweder temporär oder permanent erfolgen. Ein temporärer Bond dient meistens nur dazu, ein Produktsubstrat zu einem Trägersubstrat zu bonden, um es prozessieren zu können. Ein Permanentbond dient der permanenten Verbindung zweier Substrate. Bei den zu bondenden Substraten handelt es sich bevorzugt um Produktsubstrate. Jedes der Produktsubstrate verfügt im Allgemeinen bereits über Strukturen, insbesondere ganze funktonale Einheiten wie Mikrochips, Speicherchips, LEDs, MEMS etc. Durch das Permanentbonden können Produktsubstrate mit unterschiedlichen funktionalen Einheiten zu einem Substratstapel kombiniert werden.
Denkbar ist beispielsweise, dass sich auf einem ersten Produktsubstrat mehrere Mikrochips und auf einem zweiten Produktsubstrat mehrere Speicherchips befinden. Durch ein entsprechendes Design der funktionalen Einheiten auf beiden Produktsubstraten ist es möglich, jedem Mikrochip einen Speicherchip zuzuordnen. Die Verbindung der funktionalen Einheiten über die Bondgrenzfläche hinaus erfolgt vorzugsweise über die Kontaktgrenzfläche zweier Durchkontaktierungen hinweg. Da die Substratoberflächen direkt miteinander verbunden werden, spricht man auch von einem Direktbond. Eine spezielle Art des Direktbonds ist ein Fusionsbond. Bei einem Fusionsbond handelt es sich um einen Direktbond dielektrischer Substratoberflächen, insbesondere von Substratoberflächen aus Oxid. Ein besonders wichtiger Fusionsbond ist ein Hybridbond. Unter einem Hybridbond versteht man einen Bond zwischen zwei Substratoberflächen, die aus elektrischen und dielektrischen Bereichen bestehen. Bei den dielektrischen Bereichen handelt es sich meistens um ein Oxid, insbesondere ein Siliziumoxid. Das Siliziumoxid wird an mehreren Stellen durch unterschiedliche Prozessschritte geöffnet. Bei den Öffnungen handelt es sich meistens um radialsymmetrische Öffnungen. Diese Öffnungen werden danach mit einem Metall aufgefüllt. Das Metall reicht bis zu den funktionalen Einheiten, die unter der dielektrischen Schicht begraben wurden und stellen die nach außen reichenden Kontaktierungen dar. Nach dem Herstellprozess bleibt eine Substratoberfläche aus einem hauptsächlich dielektrischen Bereich und mehreren, kleinen, verteilten elektrischen Bereichen über. Mehrere solcher Substrate können dann durch einen Hybridbond zueinander ausgerichtet und miteinander kontaktiert werden. Dabei ist es von fundamentaler Bedeutung, dass die metallischen Bereiche korrekt miteinander kontaktieren, da sonst kein elektrischer Kontakt zwischen den funktionalen Elementen zustande kommt. Die metallischen Bereiche werden Durchkontaktierung (engl. via, pl. vias) genannt. Durchlaufen die Durchkontaktierung auch Silizium werden sie in der Regel Siliziumdurchkontaktierungen (engl.: TSVs, through-silicon-vias) genannt. Die Oberflächen von Durchkontaktierungen sind die wichtigsten Arten von Strukturen, die bei einem Fusionsbondprozess zur Deckung gebracht werden müssen, da durch sie die elektrische Kontaktierung der unterschiedlichen funktionalen Einheiten erfolgt.
Mit der zunehmenden Nutzung von Fusionbonds, insbesondere Hybridbonds, für die Fertigung von "next-generation" Halbleiterchips besteht der Bedarf, die Qualität der Bondergebnisse kontinuierlich zu verbessern. Ein wesentliches Qualitätskriterium für gebondete Substrate ist die Präzision der Lage der Strukturen, insbesondere der Durchkontaktierung. Dies wird als "Overlay" bezeichnet. Damit ist grundsätzlich die tatsächliche Lage der Strukturen gegenüber der erwarteten Lage der Strukturen gemeint.
In der gesamten Halbleiterindustrie werden Strukturen hergestellt deren Strukturgrößen sich im Mikrometer und mittlerweile bereits im Nanometerbereich befinden. Transistoren besitzen beispielsweise Strukturgrößen im Nanometerbereich. TSVs können Strukturgrößen im Mikrometerbereich haben. Ganze Mikrochips haben Strukturgrößen im Millimeter oder Mikrometerbereich. Alle Strukturen werden mit Hilfe von Software entwickelt und digital gespeichert. Das bedeutet, dass jede Struktur, die in einem späteren Herstellungsprozess am Substrat erzeugt wird, zuerst im Computer eine wohldefinierte, exakte Position und Größe besitzt. Dieser idealisierte Zustand wird im Folgenden als Soll-Zustand bezeichnet.
Um die Strukturen auf einem Substrat zu erzeugen, sind mehrere dutzend, manchmal sogar mehrere hundert Prozessschritt nötig. Jeder Prozessschritt kann im Allgemeinen nur mit einer gewissen Genauigkeit durchgeführt werden oder ist fehlerbehaftet. So ist beispielsweise die Beugungsgrenze ein klassisches Beispiel für die maximal erreichbare Genauigkeit in der Photolithographie, wenn es darum geht, die Struktur einer Maske in einen Photoresist zu übertragen. Diese physikalische Grenze kann zwar ausgereizt, aber nicht umgangen werden. Ein typisches Beispiel für fehlerbehafteten Prozess wäre das Spiel in maschinenbaulichen Elementen, die eine Bewegung durchführen müssen. Die Maschinenbauteile können nicht ohne Spiel gebaut werden und erzeugen daher immer irgendeine Art von Fehler, der sich schlussendlich auf die Genauigkeit der hergestellten Strukturen auswirkt.
Obwohl in den letzten Jahrzehnten enorme Fortschritte gemacht wurden, um die Strukturen auf einem Substrat immer exakter herzustellen, während gleichzeitig ihre Flächendichte kontinuierlich zugenommen hat, ist es so, dass jede hergestellte Struktur auf einem Substrat im Allgemeinen, wenn auch nur sehr gering, vom Soll-Zustand abweicht. Dieser real existierende Zustand der Strukturen auf einem Substrat wird im Folgenden als Ist-Zustand bezeichnet.
Der Begriff „Overlay“ wird in der Halbleiterindustrie aber noch viel allgemeiner verwendet. Unter Overlay versteht man im Allgemeinen die Menge von Verschiebungsvektoren einzelner Punkte eines Substrats, welche die Verschiebung des Punktes von einer Position vor einem Verfahrensschritt zu einer Position nach dem Verfahrensschritt repräsentieren. Jeder einzelne Verfahrensschritt eines Verfahrens kann also zu einer Verschiebung der Strukturen und damit zu einem Overlay führen. In diesem Zusammenhang wird dann der Zustand vor dem Verfahrensschritt als Soll-Zustand und der Zustand nach dem Verfahrensschritt als Ist-Zustand bezeichnet.
Die Strukturen zweier miteinander zu bondenden Substrate sind also im Allgemeinen bereits vor dem Bondvorgang nicht ideal, sondern, in Bezug zum Soll-Zustand, verzerrt. Ein weiteres, noch viel schwerwiegenderes Problem entsteht beim Bondvorgang. Der Bondvorgang erfolgt beim Fusionsbonden durch die Ausbreitung einer Bondwelle. Die Substrate werden anfangs punktförmig, insbesondere zentrisch, kontaktiert. Danach wird mindestens eines der beiden Substrate so bewegt, dass sich die Bondoberfläche zwischen den beiden Substraten vergrößern und ausbreiten kann. Denkbar ist, dass das obere Substrat, insbesondere kontrolliert, fallen gelassen wird oder dass Fixierelemente des oberen Substrathalters kontinuierlich, insbesondere von innen nach außen so geschaltet werden, dass sich das obere Substrat vom Kontaktierungspunkt zur Peripherie hin absenkt. Denkbar wäre auch, dass sich die beiden Substrathalter, und somit die Substrate, aneinander annähern. Denkbar ist auch eine Kombination der genannten Möglichkeiten. In jedem Fall schreitet eine Bondwelle, ausgehend vom Kontaktierungspunkt nach außen hin voran. Während dieses Bondvorgangs kommt es insbesondere entlang der Bondwelle zur Ausbildung mehrerer miteinander konkurrierender Kräfte. Diese Kräfte führen während des Fortlaufs der Bondwelle zu einer Verzerrung des unteren und/oder oberen Substrats und damit zu einer nicht gewünschten Abweichung zwischen den oberen und unteren Strukturen, insbesondere funktionalen Einheiten. Selbst wenn die Strukturen im Soll-Zustand hergestellt worden wären, was technisch nicht oder nur sehr schwer möglich ist, würde der Bondvorgang zu einer Erzeugung neuer Verzerrungen führen.
Ein weiteres Problem besteht darin, dass die erzeugten Verzerrungen durch den Bondvorgang sich nicht notwendigerweise nur lokal, sondern global auswirken können. Jeder Verzerrung an einer inneren Radialposition des Substrats hat im Allgemeinen auch Auswirkung auf das Bondergebnis in weiter außenliegenden Radialposition.
Ein weitere Problem sind sogenannte Randdefekte (engl.: edge voids). Diese mikrometer- bis millimetergroßen Defekte, bei denen es sich wohl um Gaseinschlüsse handelt, sind seit Jahren ein bekanntes und störendes Problem in der Halbleiterindustrie. Die Entstehung der Randdefekte ist immer noch ein sehr stark untersuchtes Phänomen in der Technik, ihre Vermeidung ein erstrebenswertes Ziel.
Ein weiteres Problem stellen verstärkte Verzerrungen am Rand der Substrate dar. Verzerrungen entstehen zwar während des Bondvorgangs im Allgemeinen entlang der gesamten Substratoberfläche, allerdings sind die Verzerrungen am Rand besonders stark. Hiervon ausgehend macht es sich die vorliegende Erfindung zur Aufgabe, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu vermeiden bzw. ihre Auswirkung auf den Bondvorgang und das gebondete Produkt zu reduzieren.
Die vorliegende Erfindung löst die Aufgabe mit einem Verfahren zum Bonden eines ersten Substrats mit einem zweiten Substrat gemäß Anspruch 1 und mit einer Vorrichtung zum Bonden gemäß Anspruch 7 sowie einer Anordnung gemäß Anspruchs 15. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen auch sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei in der Beschreibung, in den Ansprüchen und/oder den Zeichnungen angegebenen Merkmalen. Bei angegebenen Wertebereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart gelten und in beliebiger Kombination beanspruchbar sein. Sofern Eigenschaften in der Beschreibung und den Ansprüchen für das erste Substrat und den ersten Substrathalter beschrieben sind, gelten diese analog für das zweite Substrat und den zweiten Substrathalter.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Bonden eines ersten Substrats mit einem zweiten Substrat vorgesehen, wobei das erste Substrat einen Primärabschnitt und das zweite Substrat einen Sekundärabschnitt aufweist, wobei beim Bonden des ersten Substrats mit dem zweiten Substrat eine entlang einer Bondrichtung fortschreitende Bondwelle zwischen
-- einem ersten Teilabschnitt, in dem das erste Substrat und das zweite Substrat verbunden sind, und
-- einem zweiten Teilabschnitt, in dem das erste Substrat und das zweite Substrat noch zu verbinden sind, gebildet wird, wobei vorzugsweise ein Teilbereich des zweiten Substrats im zweiten Teilabschnitt gegenüber einem Teilbereich des zweiten Substrats im ersten Teilabschnitt in einer senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung höhenversetzt ist und wobei zur relativen Ausrichtung des Primärabschnitts und des Sekundärabschnitts zueinander, insbesondere in Bezug auf eine im Wesentlichen parallel zur Bondrichtung verlaufenden Richtung, mittels eines Verformungssystems in einem an die Bondwelle angrenzenden und/oder in einem die Bondwelle umfassenden Bereich eine erste Krümmung des ersten Substrats und/oder eine zweite Krümmung des zweiten Substrats modifiziert wird. Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass gezielt lokal die erste Krümmung und/oder die zweite Krümmung in dem an die Bondwelle angrenzenden Bereich bzw. in dem die Bondwelle umfassenden Bereich modifiziert wird, insbesondere unmittelbar bevor der an die Bondwelle angrenzende Bereich gebondet wird. Insbesondere ist es vorgesehen, dass durch die Modifikation der ersten Krümmung und/oder der zweiten Krümmung eine entsprechende Anpassung erfolgt, die sicherstellt, dass nach dem Bondprozess der Primärabschnitt und der Sekundärabschnitt in einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung übereinander, vorzugsweise deckungsgleich zueinander, angeordnet sind. Mit andere Worten: der Overlay wird optimiert. Auf diese Weise ist es in vorteilhafter Weise möglich, eine Positionierungsgenauigkeit zu erhöhen, die gewährleistet, dass Primärabschnitt und Sekundärabschnitt des ersten und zweiten Substrats in einer parallel zur Bondrichtung verlaufenden Richtung nicht zueinander versetzt sind. Dies erweist sich insbesondere als vorteilhaft, wenn im Primärabschnitt und Sekundärabschnitt jeweils Strukturen und/oder funktionale Einheiten ausgebildet sind, die miteinander im gebondeten Zustand in Verbindung, insbesondere in elektrischer Verbindung, treten sollen. Zu diesen Strukturen und/oder funktionalen Einheiten gehören beispielsweise Durchkontaktierungen (vias) und/oder Anschlüsse von elektrischen oder elektronischen Komponenten, wie MEMS oder LEDs.
Es hat sich herausgestellt, dass durch die gezielte Einstellung der ersten Krümmung und/oder der zweiten Krümmung, insbesondere in dem an die Bondwelle angrenzenden Bereich bzw. im die Bondwelle umfassenden Bereich, es möglich ist, die Positionsgenauigkeit, insbesondere die relative Ausrichtung des Primärabschnitts und des Sekundärabschnitts, derart zu steuern, dass die Wahrscheinlichkeit eines Ausschlusses signifikant reduziert wird. Ein solcher Ausschluss der gebondeten Anordnung aus erstem und zweitem Substrat erfolgt dann, wenn Primärabschnitt und Sekundärabschnitt derart zueinander versetzt sind, dass beispielsweise keine ausreichende Verbindung zwischen Primärabschnitt und Sekundärabschnitt bzw. zwischen den entsprechenden funktionalen Einheiten im Primärabschnitt und dem Sekundärabschnitt realisiert werden kann. Insbesondere ist es vorgesehen, dass gezielt in einem Bereich, der an die Bondwelle angrenzt und/oder die Bondwelle umfasst, d. h. gezielt in einem lokal begrenzten Bereich, Einfluss genommen wird auf die erste bzw. zweite Krümmung. Insbesondere ist es somit vorgesehen, dass eine gezielte lokale Einflussnahme auf die erste bzw. zweite Krümmung vorgenommen wird. Eine globale bzw. global wirkende Verformung kann dabei zusätzlich vorgesehen sein. Vorzugsweise wird mittels eines Verformungssystems nur Einfluss genommen auf das erste Substrat oder das zweite Substrat, d. h. nur auf eines der zu bondenden Substrate. Dadurch wird die Anzahl der zu steuernden und zu kontrollierenden Parameter mit Vorteil reduziert und auf die Handhabung eines einzelnen Substrats beschränkt.
Insbesondere ist es vorgesehen, dass die Modifikation der ersten und/oder zweiten Krümmung dazu dient, die erste Krümmung und die zweite Krümmung in dem an die Bondwelle angrenzenden Bereich aneinander anzupassen. Hierbei ist es beispielsweise vorstellbar, dass eine Differenz aus der ersten Krümmung und der zweiten Krümmung keinen festgelegten Schwellenwert überschreiten bzw. im Wesentlichen konstant gehalten werden sollte. Unter einer Krümmung ist insbesondere der reziproke Wert eines Radius desjenigen Kreises zu verstehen, dessen abschnittsweiser Verlauf den gekrümmten Teilbereich des ersten Substrats oder des zweiten Substrats beschreibt.
Das Bonden zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat erfolgt dabei über die Substratoberflächen des ersten Substrats und des zweiten Substrats, die miteinander beim Bonden, d. h. beim Bondvorgang bzw.- prozess, in Kontakt gebracht werden.
Die Haupterstreckungsebene wird vorzugsweise durch eine Auflagefläche eines Substratshalters, d. h. eines ersten Substrathalters und/oder zweiten Substrathalters, festgelegt. Die Auflagefläche erstreckt sich mit ihrem generellen Verlauf vorzugsweise entlang der Haupterstreckungsebene. Insbesondere wird die Haupterstreckungsebene durch den generellen Verlauf des ersten Teilabschnitts festgelegt, insbesondere durch den generellen Verlauf des Bereichs des ersten Teilabschnitts, der nicht gekrümmt ist bzw. frei von einer Krümmung und im Wesentlichen eben verläuft.
Der Bondvorgang zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass beim Bonden der erste Teilabschnitt, in dem bereits das Bonden erfolgte, im Wesentlichen in der Haupterstreckungsebene angeordnet ist, während das erste Substrat und/oder das zweite Substrat im zweiten Teilabschnitt gegenüber dem ersten Teilabschnitt in einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung zumindest abschnittsweise höhenversetzt ist. Insbesondere ist es vorgesehen, dass beim Bonden das erste Substrat im an die Bondwelle angrenzenden Bereich abschnittsweise angehoben wird. Durch eine Beabstandung des zweiten Substrathalters vom zweiten Substrathalter weist das zweite Substrat im an die Bondewelle angrenzenden Bereich ebenfalls eine zweite Krümmung auf. Dadurch ergibt sich im Bereich der Bondwelle bereits durch den Bondvorgang einer erste Krümmung und eine zweite Krümmung, ohne dass das Verformungssystem Einfluss nimmt auf die erste Krümmung oder die zweite Krümmung. Die Modifikation bzw. ein Ausmaß der Modifikation, die vom Verformungssystem ausgeht, bestimmt sich somit in Bezug auf die erste Krümmung und/oder zweite Krümmung, die beim Bondvorgang ohne Verformungssystem zu bestimmen wäre.
Insbesondere erstreckt sich der an die Bondwelle angrenzende bzw. der die Bondwelle umfassende Bereich über mindestens 5 mm, bevorzugt mindestens 2,5 mm und besonders bevorzugt mindestens 1 mm. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass außerhalb eines derart dimensionierten Bereichs die Verformung bzw. die Modifikation und Wirkung auf die erste Krümmung durch die Verformungsabschnitte bzw. das Verformungssystem bzw. Fixierelemente vernachlässigbar klein ist. Der an die Bondwelle angrenzende oder die Bondwelle umfassende Bereich kann sich dabei über den ersten Teilbereich und den zweiten Teilbereich erstrecken.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Bonden um ein Direktbonden, bevorzugt um ein Fusionsbonden und besonders bevorzugt um ein Hybridbonden. Bei den Substraten handelt es sich vorzugsweise um Wafer, beispielsweise Siliziumwafer, die besonders bevorzugt durch das Bonden zu einem Produktsubstrat oder einem temporären Substrat ge- bonded werden.
Die erste Krümmung und/oder die zweite Krümmung wird bevorzugt mittels eines Verformungssystems, das Beschichtungen, Fixierelemente und/oder Verformungsmittel umfasst, eingestellt. Unter Fixierelemente versteht der Fachmann insbesondere solche Einrichtungen, die dazu vorgesehen sind Teilabschnitte des ersten und/oder zweiten Substrats zu halten. Vorzugsweise lassen sich die einzelnen Fixierelemente einzeln oder in Gruppen zwischen einem Fixierzustand und einem Freigabezustand überführen. Die Fixierelemente dienen im Bondprozess dazu, gezielt Teilbereiche des ersten Substrats und des zweiten Substrats in Kontakt treten zu lassen. Beispielsweise werden einzelne Fixierelemente in einem zweiten Substrathalter in den Freigabezustand überführt, um einen Teilbereich des zweiten Substrats fallen zu lassen, um so mit einem entsprechenden Teilbereich des ersten Substrats in Kontakt zu treten. Durch die gezielte Einstellung einer Fixierkraft lässt sich auch Einfluss nehmen auf die erste Krümmung. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Verformungssystem zumindest teilweise oder vollständig durch Fixierelemente gebildet. Denkbar ist auch, dass das Verformungsmittel bevorzugt ausschließlich zu Einstellung der ersten Krümmung und/oder der zweiten Krümmung ausgelegt ist und beispielsweise das erste Substrat und/oder das zweite Substrat nicht fixieren bzw. halten kann, um den Bondvorgang zu steuern. Unter einer Struktur wird vom Fachmann bevorzugt ein wie auch immer geartetes Objekt verstanden, das mit Hilfe unterschiedlichster Prozesse auf einem Substrat hergestellt wird. Beispiele für eine Struktur wären die kleinsten Einheiten eines Transistors, TSVs aber genauso die im nachfolgenden definierten funktionalen Einheiten. Das Wort Struktur wird also als Oberbegriff verwendet. Unter einer funktionalen Einheit wird vom Fachmann insbesondere eine Struktur verstanden, die einen funktionalen Charakter hat, die also als aktives Teil angesehen werden kann. Beispiele hierfür wären Mikrochips, Speicherchips, LEDs, MEMS etc. Unter einer Verschiebung versteht der Fachmann insbesondere die Positionsänderung eines Punktes von einer ersten Position auf eine zweite Position. Unter einer Verzerrung oder Dehnung versteht der Fachmann bevorzugt physikalisch gesehen die auf die Ausgangslänge bezogene Längenänderung. Mathematisch gesehen ist sie die partielle Ableitung der Verschiebung. Unter einer Streckung versteht der Fachmann die Verlängerung eines Körpers aufgrund einer Verzerrung oder Dehnung. Unter einem Soll- Zustand versteht der Fachmann die idealisierte, insbesondere im Computer erzeugte, berechnete und gespeicherte Menge aller Strukturen mit ihren idealen Positionen oder die Menge aller Strukturen vor einem Verfahrensschritt. Unter einem Ist-Zustand versteht der Fachmann bevorzugt die reale, insbesondere bereits am Substrat erzeugte, Menge aller Strukturen mit ihren realen Positionen oder die Menge aller Strukturen nach einem Verfahrensschritt. Unter einem Overlay versteht der Fachmann insbesondere ein Maß für die Vektorverschiebung von Strukturen von einem ersten Prozessschritt zu einem zweiten Prozessschritt. Ein Overlay wird im Allgemeinen als ein Verschiebungsvektorfeld dargestellt. Jeder Struktur auf einem Substrat kann zu einem ersten Prozessschritt und zu einem zweiten Prozessschritt eine Position zugeordnet. Die Verschiebung ist der Differenzvektor dieser beiden Positionen und das Verschiebungsvektorfeld oder Overlay ist die Menge aller dieser Differenzvektoren aller Strukturen.
Unter einem Substrathalter versteht der Fachmann bevorzugt jedes Bauteil, insbesondere jede Bauteilgruppe, mit deren Hilfe ein Substrat fixiert wird und mit dessen Hilfe man die voranschreitende Bondwelle manipulieren kann. Unter Bondwelle wird die Menge aller Grenzflächenpunkte zweier sich miteinander verbindender Substrate verstanden, welche die noch nicht gebondeten Außenbereiche von den bereits gebondeten Innenbereichen abgrenzen. Ein Synonym für Bondwelle (bzw. bond wave) wäre Bondgrenzfläche oder Bondfront. Vorzugsweise erfolgt die Modifikation der ersten Krümmung und/oder der zweiten Krümmung über Fixierelemente. Die Mehrzahl aller Substrathalter verfügt bereits über entsprechende Fixierelemente. Es existieren auch bereits Substrathalter, die mehrere, insbesondere symmetrisch verteilte, Fixierelemente besitzen, sodass eine positionsgesteuerte Fixierung des Substrats, d. h. des ersten Substrats und/oder des zweiten Substrats, möglich ist. Durch die gezielte Steuerung eines Fixierelements, insbesondere vor und/oder während und/oder nach dem Durchgang der Bondwelle über das Fixierelement ist eine Krafteinwirkung, und damit die hervorgerufene Dehnung bzw. Krümmung, gezielt einstellbar. Verfügt der Substrathalter über mehrere, über die Substratoberfläche verteilte Fixierelemente, kann die Bondwelle ortsaufgelöst gesteuert werden.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass das Verformungssystem eine Mehrzahl an Verformungsmittel aufweist, die entlang der Bondrichtung angeordnet sind. Durch eine Mehrzahl an Verformungsmitteln, die insbesondere homogen entlang der Bondrichtung verteilt sind, ist es mit Vorteil möglich, während des ganzen Bondprozesses lokal Einfluss zu nehmen auf die erste Krümmung und/oder zweite Krümmung, insbesondere gezielt in dem jeweils anzubindenden Bereich. Vorzugsweise ist es hierzu vorgesehen, dass die Verformungsmittel und/oder Maßnahmen entlang der Bondrichtung im Wesentlichen äquidistant zueinander angeordnet sind. Im Falle einer radial ausbreitenden Bondwelle ist beispielsweise ein radialer Abstand zwischen zwei benachbarten Verformungsmitteln im Wesentlichen konstant.
Insbesondere ist es vorgesehen, dass beim Bonden mittels des Verformungssystems eine Differenz aus erster und zweiter Krümmung entlang der Bondrichtung zumindest abschnittsweise im Wesentlichen konstant gehalten wird. Bevorzugt wird gezielt die Differenz aus erster und zweite Krümmung über eine Strecke konstant gehalten, die mehr als 50 %, bevorzugt mehr als 75 % und besonders bevorzugt mehr als 80 % einer Bondstrecke ausmacht, wobei die Bondstrecke die gesamte Länge bezeichnet, über die der Bondvorgang erfolgt. Es hat sich hierbei herausgestellt, dass durch eine entsprechende Anpassung der ersten und zweiten Krümmung aneinander, die Verzerrung bzw. ein Ausmaß der Verzerrung zwischen ersten und zweiten Substrat möglichst gering gehalten werden kann, was sich positiv auswirkt auf eventuelle Verspannungen zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat, sowie auf Positionsgenauigkeit beim Ausrichten des ersten Substrats und des zweiten Substrats zueinander. Dabei heißt "im Wesentlichen konstant", dass erste Krümmung und/oder zweite Krümmung nicht mehr als 15 %, bevorzugt nicht mehr als 10 % und besonders bevorzugt nicht mehr als 5 % gegenüber dem Doppelten eines arithmetischen Mittelwert aus erster Krümmung und zweiter Krümmung abweicht. Weiterhin ist es bevorzugt vorgesehen, dass durch die verschiedenen Verformungsmitteln in den einzelnen Verformungsabschnitten entlang der Bondstrecke gezielt dafür gesorgt wird, dass erste Krümmung und zweite Krümmung in ihrer Summe im Wesentlichen konstant sind. Dabei kann sich der Einfluss der einzelnen Verformungsmittel untereinander unterscheiden. Insbesondere sind die Verformungsmittel in Hinblick auf ihren Einfluss bzw. Wirkung individualisiert für den jeweils zu bondenden Bereich, der dem einzelnen Verformungsmittel zugeordnet ist.
Insbesondere ist es vorgesehen, dass das Verformungssystem beim Bonden beispielsweise mittels einer Steuereinrichtung verändert wird. Beispielsweise ist es vorstellbar, dass gezielt die Einflussnahme, die von einem einzelnen Verformungsmittel in einem Verformungsabschnitt ausgeht, gesteuert wird, um auf diese Weise Einfluss zu nehmen auf die erste Krümmung und/oder die zweite Krümmung, insbesondere beim Bondprozess. Dies kann mit Vorteil während des Bondvorgangs erfolgen. Dadurch ist es beispielsweise möglich sogar auf beim Bondvorgang auftretende Änderungen zu reagieren und entsprechend eine Anpassung der Einflussnahme zur Modifikation der ersten und/oder zweiten Krümmung vorzunehmen. Dies lässt sich beispielsweise bevorzugt durch verlagerbare Bauteile realisieren, die beispielsweise entlang einer senkrecht zur Haupterstreckungsebene verlaufenden Höhenrichtung verschiebbar sind. In diesem Fall lassen sich durch die Steuereinrichtung über entsprechende Steuerungen die entsprechenden Bauelemente höhenversetzt anordnen. Denkbar ist auch, dass eine Beschichtung auf dem Substrathalter, beispielsweise über eine elektrische Spannung, entsprechend angesteuert werden kann.
Die beweglichen Bauteile werden vor und/oder während und/oder nach dem Durchlauf der Bondwelle so gesteuert oder geregelt, dass durch eine Anhebung oder Absenkung der Bauteile ein neuer, insbesondere geometrisch veränderter, Zustand für die Bondwelle bzw. den an die Bondwelle angrenzenden Bereich entsteht. Insbesondere können dadurch konvexe und/oder konkave Bereiche als Funktion des Ortes geschaffen werden. Dadurch werden die Verzerrungen lokal in den Substraten gesteuert, sodass ein optimales Bondergebnis erzielt wird. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass das Verformungssystem vor dem Bonden eingestellt wird. Insbesondere wird abhängig von dem Typ des ersten und/oder zweiten Substrats und insbesondere bevorzugt durch entsprechende Erfahrungswerte festgelegt, in welchem Umfang in den einzelnen Verformungsabschnitten Einfluss genommen wird auf die erste und/oder zweite Krümmung. Hierbei kann man beispielsweise auf vorangehende Bondvorgänge zurückgreifen, die beispielsweise anhand von Spannungsverhältnissen innerhalb der Anordnung aus erstem und zweitem Substrat erkennen lassen, in welchen Bereichen während des Bondvorgangs eine entsprechende Anpassung der ersten und zweiten Krümmung von Vorteil ist. Um Kenntnis über dieses Verhalten zu erlangen, werden bevorzugt die gebondeten Substrate nach dem Bondvorgang analysiert, um die Verschiebungen zwischen den Strukturen am unteren und am oberen Substrat als Funktion der Position zu bestimmen. Durch diese Informationen ist es möglich, die Substratoberfläche des, insbesondere ersten Substrathalters so zu modifizieren, dass das Verhalten der Bondwelle an jedem Punkt ein gewünschtes, optimales Ergebnis liefert. Vorzugsweise wird dann das Verformungssystem für eine Charge von zu bondenden ersten und zweiten Substraten verwendet. Beispielsweise kann die Rauheit und/oder Welligkeit und/oder Adhäsionsfähigkeit des Substrathalters bereits bei der Fertigung des Substrathalters bedacht und umgesetzt werden.
Beispielsweise umfasst das Verfahren die folgenden Schritte:
In einem ersten Verfahrensschritt des Verfahrens wird ein erstes Substrat auf einen ersten Substrathalter geladen und fixiert. In einem zweiten Verfahrensschritt des Verfahrens wird ein zweites Substrat auf einen zweiten Substrathalter geladen und fixiert. In einem dritten Verfahrensschritt des Verfahrens erfolgt vorzugsweise eine Ausrichtung des ersten Substrats zum zweiten Substrat, vorzugsweise mit Hilfe entsprechender optischer Vorrichtungen. In einem vierten Verfahrensschritt des Verfahrens erfolgt der Bondvorgang der Substratoberfläche des ersten Substrats mit der Substratoberfläche des zweiten Substrats auf einem Substrathalter. In einem fünften Verfahrensschritt des Verfahrens wird der gebondete Substratstapel aus der Vorrichtung entnommen. In einem optionalen, sechsten Verfahrensschritt des Verfahrens erfolgt eine Wärmebehandlung des Substratstapels. Dabei erfolgt die Modifikation der ersten Krümmung und/oder der zweiten Krümmung bevorzugt im vierten Schritt. Für das Verfahren, bei dem zeitlich vor dem Bonden das Ausmaß des Einflusses der Verformung festgelegt wird, eignen sich insbesondere Substrathalter mit den Vorrichtungsmerkmalen des Substrathalters mit eine Mikrostruktur und/oder einer Beschichtung. Für das Verfahren, bei dem der Einfluss auf die erste Krümmung während des Bondvorgangs erfolgt, erweist sich ein erster Substrathalter mit verlagerbaren Bauteil als vorteilhaft. Die einzelnen Vorrichtungen werden im Folgenden im Detail vorgestellt.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass zur Einstellung der ersten Krümmung eine Beschichtung zwischen dem ersten Substrat und einem ersten Substrathalter, die das erste Substrat beim Bondvorgang trägt, angeordnet wird. Bevorzugt wird als Beschichtung eine Schicht an mindestens einem der beiden miteinander zu bondenden Substrate abgeschieden. Die Schicht wird an der, der zu bondenden Substratseite gegenüberliegenden Substratseite aufgebracht. Diese Substratseite wird als Substratrückseite bezeichnet. Die Dicke der Schicht ist insbesondere inhomogen, d.h. ändert sich als Funktion des Ortes. Bevorzugterweise wird die Schicht nicht vollflächig auf der Substratrückseite aufgebracht, sondern nur an speziell dafür vorgesehenen Stellen, im Allgemeinen aber an jeder Stelle mit einer dafür vorgesehenen Dicke. Durch den Einsatz von Masken ist es besonders einfach, jene Bereiche der Substratrückseite zu beschichten, die beschichtet werden sollen. In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der Schicht um eine anorganische Schicht. Die Schicht wird bevorzugt durch ein PVD, CVD oder PE-CVD Verfahren aufgebracht. Besonders bevorzugt, insbesondere mittels PE-CVD, ist die Abscheidung einer Schicht ausschließlich in der Peripherie des Substrats, vorzugsweise in einem Kreissegment mit einer Kreissegmentdicke zwischen 1 mm und 10mm. Die genaue Kreissegmentdicke hängt von dem zu erzielenden Ergebnis ab. Die Schicht sollte vorzugsweise aus einem der folgenden Materialklassen, insbesondere genannten Materialien bestehen: Metall, Oxid, vorzugsweise SiÜ2, Karbid, vorzugsweise SiCN, SiC, und/oder Nitrid, vorzugsweise SiCN und/oder SiN.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der anorganischen Schicht um eine Oxidschicht zwischen 10 nm und 5000 nm. Die genaue Dicke der Oxid- schicht hängt von dem zu erzielenden Ergebnis ab. In einer Weiterentwicklung der Ausführungsform kann die Schicht nach der Abscheidung zurück gedünnt und/oder poliert werden. Vorzugsweise wird durch das Abscheiden der Beschichtung eine gezielte Krümmung des Substrats, insbesondere als Funktion des Ortes, insbesondere im Randbereich des Substrates, erzeugt. Die Schicht wird vorzugsweise bei erhöhten Temperaturen abgeschieden. Beim Abkühlen werden sich das Substrat und die Schicht im Allgemeinen unterschiedlich dehnen, da deren thermische Ausdehnungskoeffizienten unterschiedlich sind. Dadurch kommt es zur Ausbildung einer die auftretenden thermischen Spannungen kompensierenden Verbiegung. Diese Verbiegung hat dann im Bondvorgang ebenfalls einen Einfluss auf die voranschreitende Bondwelle.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zum Bonden eines ersten Substrats mit einem zweiten Substrat, insbesondere mittels eines erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei das erste Substrat einen Primärabschnitt und das zweite Substrat einen Sekundärabschnitt aufweist, wobei die Vorrichtung dazu konfiguriert ist, dass beim Bonden des ersten Substrats mit dem zweiten Substrat eine entlang einer Bondrichtung fortschreitende Bondwelle zwischen
-- einem ersten Teilabschnitt, in dem das erste Substrat und das zweite Substrat verbunden sind, und
-- einem zweiten Teilabschnitt, in dem das erste Substrat und das zweite Substrat noch zu verbinden sind, gebildet wird, wobei vorzugsweise ein Teilbereich des zweiten Substrats im zweiten Teilabschnitt gegenüber einem Teilbereich des zweiten Substrats im ersten Teilabschnitt in einer senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung höhenversetzt ist wobei die Vorrichtung zur relativen Ausrichtung des Primärabschnitts und des Sekundärabschnitts zueinander, insbesondere in Bezug auf eine im Wesentlichen parallel zur Bondrichtung verlaufenden Richtung, ein Verformungssystem aufweist, das dazu konfiguriert ist, dass in einem an die Bondwelle angrenzenden oder in einem die Bondwelle umfassenden Bereich eine erste Krümmung des ersten Substrats und/oder eine zweite Krümmung des zweiten Substrats modifizierbar ist. Alle für das Verfahren beschriebenen Vorteile und Eigenschaften lassen sich bevorzugt analog anwenden auf die Vorrichtung und andersrum.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung einen ersten und/oder einen zweiten Substrathalter. Die Substrathalter, d. h. der erste und/oder zweite Substrathalter, verfügen über Fixierelemente. Den Fixierelementen kommt die Primäraufgabe zu das erste Substrat und/oder das zweite Substrat während des Bondvorgangs zu halten und insbesondere zu fixieren. Durch das gezielte Lösen von Fixierelementen bzw. durch Änderung eines Zustandes, in dem das Fixierelement das Substrat hält oder nicht hält, kann gezielt der Bondvorgang in Teilbereichen des ersten Substrats und des zweiten Substrats eingestellt werden, insbesondere derart, dass sich ein Bondvorgang entlang der Bondrichtung ausbildet. Bei den Fixierelementen kann es sich um mechanische Fixierungen, insbesondere Klemmen, Vakuumfixierungen, insbesondere mit einzeln ansteuerbare Vakuumbahnen und/oder miteinander verbundenen Vakuumbahnen, elektrische Fixierungen, insbesondere Elektrostatische Fixierungen, magnetische Fixierungen, adhäsive Fixierungen, insbesondere Gel-Pak Fixierungen Fixierungen mit adhäsiven, insbesondere ansteuerbaren, Oberfläche handeln. Die Fixierelemente sind insbesondere elektronisch ansteuerbar.
Die Vakuumfixierung ist die bevorzugte Fixierungsart. Die Vakuumfixierung umfasst vorzugsweise aus mehreren Vakuumbahnen, die an der Oberfläche des Substrathalters austreten. Die Vakuumbahnen sind vorzugsweise einzeln ansteuerbar. In einer bevorzugten Ausführungsform sind einige Vakuumbahnen zu Vakuumbahnsegmenten vereint, die einzeln ansteuerbar, daher evakuiert oder geflutet werden können. Jedes Vakuumsegment ist allerdings unabhängig von den anderen Vakuumsegmenten. Damit erhält man die Möglichkeit des Aufbaus einzeln ansteuerbarer Vakuumsegmente. Die Vakuumsegmente sind vorzugsweise ringförmig konstruiert. Dadurch wird eine gezielte, radialsymmetrische, insbesondere von innen nach außen durchgeführte Fixierung und/oder Loslösung eines Substrats vom Substrathalter ermöglicht.
Insbesondere ist es vorgesehen, dass das erste Substrat beim Bonden in einem ersten Substrathalter gehalten wird, wobei der erste Substrathalter Fixierabschnitte zum Fixieren des ersten Substrats und Verformungsabschnitte zum Einstellen der ersten Krümmung aufweisen. Gleichzeitig ist es vorstellbar, dass die Fixierabschnitte zusätzlich oder alternativ Einfluss nehmen auf die erste und/oder zweite Krümmung. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechend modulierbare Fixierkraft realisiert werden. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass sich entlang der Bondrichtung zumindest abschnittsweise, vorzugsweise über die vollständige Bondstrecke Fixierabschnitte und Halteabschnitte abwechseln. Dabei ist es bevorzugt vorgesehen, dass zwischen zwei Fixierelementen der Bereich, der in Kontakt tritt mit der Substratoberfläche, entsprechenden Einfluss nimmt, sodass die erste und/oder zweite Krümmung einen gewünschten Wert annimmt. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass das Verformungssystem eine Beschichtung aufweist. Insbesondere ist es dadurch möglich, wenn in Abschnitten zwischen zwei Fixierelementen ein adhäsives oder nicht adhäsives Medium auf die Kontaktfläche aufgetragen wird, ein Haftvermögen, mit dem das erste Substrat an der Kontaktfläche anliegt, in dem entsprechenden Bereich zu beeinflussen. Dies wiederrum nimmt Einfluss auf die erste Krümmung. Dies tritt insbesondere dann auf, wenn im Rahmen des Bondvorgangs ein zweiter Teilabschnitt des ersten Substrats gegenüber einem ersten Teilabschnitt des ersten Substrats angehoben ist.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, die Adhäsionsfähigkeit der Substrathalteroberfläche mittels einer Beschichtung als Funktion des Ortes gezielt einzustellen, um damit die Haftfestigkeit zwischen dem Substrat und dem Substrathalter als Funktion des Ortes zu variieren. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wäre die Adhäsionsfähigkeit sogar ortsaufgelöst schalt- bzw. regelbar. Denkbar ist die Verwendung von funktionalen Polymeren, die im Mikro- und Nanometerbereich so modifiziert werden, dass der aus der Natur bekannte Lotusblüteneffekt nachgeahmt werden kann. Weiterentwicklungen in der Forschung haben gezeigt, dass durch den Einsatz elektrischer und/oder magnetischer Felder einer Krümmung dieser Polymerstrukturen dazu führen kann, dass sie sich von dem an ihnen haftenden Objekt lösen. Die Loslösung dieser funktionalen Polymere von einem Substrat würde zu einem verschwinden der van-der-Waals Kräfte führen und das Substrat so lokal lösbar machen. Dadurch wird eine schaltbare, adhäsive Substrathalteroberfläche ermöglicht. Bevorzugt wird die Beschichtung auf den Substrathalter aufgetragen. Es ist aber auch vorstellbar, dass die Beschichtung auf das Substrat aufgetragen wird und beim Betrieb der Vorrichtung zwischen Substrat und Substratträger angeordnet ist.
Vorzugsweise weist das Verformungssystem eine Mikrostruktur an einer Kontaktfläche des ersten Substrathalters auf. Dadurch wird die Rauheit an der Kontaktfläche realisiert. Dabei ist es vorstellbar, dass die Substrathalteroberfläche als Funktion des Ortes unterschiedlich zu strukturieren, um damit die Haftfestigkeit zwischen dem Substrat und dem Substrathalter als Funktion des Ortes zu variieren. Denkbar wäre die Fertigung kleiner Löcher mit unterschiedlicher Geometrie, die sich insbesondere abhängig von der Position am Substrathalter in Größe und/oder Orientierung ändern. Der Substrathalter könnte beispielsweise mit Hilfe eines Photopolymers beschichtet werden, damit man mit Hilfe eines Photolithographischen Prozesses das Muster in das Photopolymer abbilden kann. Danach wird das Photopolymer entwickelt und gestrippt. Zurück bleibt eine Ätzmaske. Durch die Verwendung eine Chemikalie und/oder eines Plasma, wird das Muster dann in die Substratoberfläche geätzt. Das Photopolymer wird danach entfernt. Zurück bleibt eine strukturierte Substratoberfläche. Das Muster ist vorzugsweise radialsymmetrisch.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass das Verformungssystem eine verlagerbare Kontaktfläche aufweist. Dies kann beispielsweise über Verformungsstifte erfolgen, die in entsprechenden Aussparungen gelagert werden und bedarfsabhängig um eine entsprechende Höhe verlagerbar sind, um auf diese Weise den zweiten Teilabschnitt zumindest bereichsweise derart zu stützen, dass die gewünschte oder bevorzugte erste Krümmung und/oder zweite Krümmung eingestellt wird. Alternativ ist es vorstellbar, dass die verlagerbare Kontaktfläche durch ein Segment ausgebildet ist, in das mehrere Fixierelemente integriert sind. Diese verlagerbaren Segmente lassen sich als Ganzes höhenverschiebbar in der Substrathalterung verändern. Bevorzugt sind entsprechende Segmente ringförmig ausgebildet und konzentrisch zueinander angeordnet. Während des Bondvorgangs wird insbesondere die Höhe der einzelnen Segmente gesteuert und eingestellt, wodurch entsprechend Einfluss genommen werden kann auf die erste Krümmung in dem an die Bondwelle angrenzenden Bereich.
Vorzugsweise besitzt der Substrathalter eine dynamische, modifizierbare Substrathalteroberfläche. In einer Ausführungsform ist der Substrathalter aus beweglichen Segmenten aufgebaut. Bei den Segmenten kann es sich um zentrisch positionierte Kreissegmente handeln. Denkbar ist aber auch, dass die zentrisch positionierten Kreissegmente noch einmal azimutal unterteilt werden, so dass mehrere radial und azimutal geteilten Segmente vorhanden sind. Jedes dieser Segmente kann entlang einer Richtung normal auf die Substrathalteroberfläche verschoben werden, und so den Fortlauf der Bondwelle beeinflussen.
In einer Ausführungsform besitzt der Substrathalter steuerbare bzw. regelbare Verformungselemente, welche über die Substrathalteroberfläche ausgefahren werden können. Der Substrathalter verfügt über mehrere, insbesondere symmetrisch verteilte, Aussparungen, vorzugsweise Bohrungen, in denen sich bewegliche Verformungselement, insbesondere Stifte, befinden. Diese Verformungselemente können gesteuert bzw. geregelt ein- und ausgefahren werden und so vor und/oder während und/oder nach der voranschreitenden Bondwelle eine lokale Krümmung des am Substrathalter fixierten Substrats bewirken. Da die Verformungselemente eine filigranere Steuerung als die Segmente der vorhergehenden Ausführungsform erlauben, kann die zweite Ausführungsform vorteilhafter sein. Außerdem ist ein derartiger Substrathalter leichter zu fertigen und damit wirtschaftlicher. In einer ganz besonderen Ausführungsform verfügen die Verformungselemente selbst über Fixierelemente, insbesondere eine Bohrung über die eine Vakuum erzeugt werden kann, sodass die Verformungselemente in der Lage sind das auf dem Substrathalter aufliegende Substrat lokal zu fixieren und so nicht nur auf Druck, sondern auch auf Zug zu beanspruchen.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass das Verformungssystem eine profilierte Kontaktfläche aufweist. Insbesondere weisen die einzelnen Verformungsabschnitte jeweils eine profilierte Kontaktfläche auf. Unter "profiliert" versteht der Fachmann insbesondere einen konkaven, konvexen und/oder gestuften Verlauf, der auf diese Weise Einfluss nehmen kann auf das Haft und Stützvermögen, das ausgehend vom einzelnen Verformungsabschnitt auf den ersten Teilabschnitt und/oder zweiten Teilabschnitt einwirkt. In einer weiteren Ausführungsform wäre es möglich, die Substrathalteroberfläche als Funktion des Ortes unterschiedlich, insbesondere konvex oder konkav, zu formen. Denkbar ist auch, dass die Substrathalteroberfläche eine als Funktion des Ortes variierende Welligkeit erhält. Durch diese Formung liegen Teile des Substrat als Funktion des Ortes bereits leicht konvex oder konkav geformt vor. Damit kann, durch eine rein geometrische Bearbeitung der Substrathalteroberfläche, bereits vor dem Bondvorgang die Beeinflussung der später über die Substrathalter laufende Bondwelle erzielt werden. In einer weiteren Ausführungsform besitzt die Substratoberfläche zumindest an der Position, an der die Substrate ihren ersten Kontakt haben, weil insbesondere das zweite Substrat durch die Verwendung eines Bondpins auf das erste Substrat gedrückt wird, eine Abweichung von der Ebenheit auf. Vorzugsweise handelt es sich um eine, insbesondere radialsymmetrische Delle. Vorzugsweise befindet sich auch im Bereich dieser Delle ein Fixierelement, welches die Fixierung des erste Substrats begünstigt. Das erste Substrat wird dadurch in die Delle gezogen. Durch diese lokale Erzeugung einer Krümmung wird die zu bondende Substratoberfläche des ersten Substrats zumindest an ihrem Minimum gestaucht. Vorzugsweise wird also eine Verzerrung, insbesondere eine Stauchung, eingebracht, bevor der Bond überhaupt beginnt. Nachdem der Bond vollständig abgeschlossen wurde, werden die Fixierelemente des ersten Substrathalters abgeschaltet. Das erste Substrat wird das an sich gebondete zweite Substrat ein wenig strecken. Dies führt dann dazu, dass die Streckung in jenem Bereich, in dem die Bondwelle erst zu laufen begonnen hat, vergrößert wird und im Idealfall dann gleich ist wie die Streckung, die das zweite Substrat in jenen Bereichen erfahren hat, wo die Bondwelle einen stabilen Zustand hatte. Es hat sich gezeigt, dass durch das Aufbringen einer derartigen Verzerrung vor dem Bonden das Bondergebnis optimiert und verbessert werden kann. Bevorzugt ist es vorgesehen, dass die Verformungsabschnitte unterschiedlich Einfluss nehmen auf das erste Substrat. Beispielsweise ist es vorstellbar, dass im Falle von verlagerbaren Segmenten oder Stiftelementen, die jeweils eingestellte Höhe der einzelnen Verformungsabschnitte unterschiedlich ist. Insbesondere ist es vorgesehen, dass sich die Verformungsabschnitte, die verlagerbar sind, erst während des Bondvorgangs verlagern und nicht bereits eine Verlagerung vorliegt, sobald der Bondvorgang begonnen wird.
Insbesondere weist der erste Substrathalter eine Erhöhung im Randbereich auf. Diese Erhöhung ist beispielsweise als ein vollumfänglich geschlossener Sockel ausgebildet. Dieses Konstruktionsmerkmal dient insbesondere dazu, die Randdefekte (engl.: edge-voids) und die am Rand verstärkt auftretenden Verzerrungen zu eliminieren oder zumindest zu reduzieren. Die Erhöhung ist dabei größer als 10 nm, vorzugsweise größer als 500 nm, noch bevorzugter größer als 1000 nm, am bevorzugtesten größer als 2500 nm, am allerbevorzugtesten größer 5000 nm. In den meisten Fällen wird das obere Substrat eines oberen Substrathalters durch einen Bondpin verformt und mit dem unteren Substrat in Kontakt gebracht. Bei diesem Verformungsprozess wird die zu bondende Substratoberfläche des zweiten Substrats gestreckt. Das zweite Substrat weist also bei Aufsicht auf die zu bondende Substratoberfläche des zweiten Substrats eine konvexe Krümmung auf. Um dieser Streckung nun gerecht zu werden ist es vorteilhaft, die zu bondende Substratoberfläche des ersten Substrats zu stauchen. Das erste Substrat weist demnach bei Aufsicht auf die zu bondende Substratoberfläche des erste Substrats eine konkave Krümmung auf. Das auf der Erhöhung aufliegende Substrat wird dadurch im Randbereich an seiner zu bondenen Substratoberfläche verzerrt, insbesondere gestaucht.
Dies ist deshalb notwendig, weil die Verformung des zweite Substrats im Kontaktpunkt der Bondwelle zum Rand hin geringer ausfällt, da der mechanische Widerstand des Wafers (aufgrund kürzerer verbleibender ungebondeter Länge) und einem erleichterten Ausströmen der Luft aus dem Bonding Interface, geringer ausfällt.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Anordnung aus einem ersten Substrat und einem zweiten Substrat, das hergestellt ist mit einem erfindungsgemäßen Verfahren. Alle für die Vorrichtung und das Verfahren beschriebenen Vorteile und Eigenschaften lassen sich analog auf die Anordnung übertragen und andersrum. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Gegenstands mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Einzelne Merkmale der einzelnen Ausführungsform können dabei im Rahmen der Erfindung miteinander kombiniert werden.
Es zeigt
Fig. 1 eine Seitenansicht eines Substrathalters gemäß einer ersten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 eine Seitenansicht eines Substrathalters gemäß einer zweiten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 3 eine Seitenansicht eines Substrathalters gemäß einer dritten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 4 eine Seitenansicht eines Substrathalters gemäß einer vierten beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 5 eine Seitenansicht eines Bereichs beim Bondvorgang bei geringer Fixierung und
Fig. 6 eine Seitenansicht eines Bereichs beim Bondvorgang bei starker Fixierung.
In den Figuren sind gleiche Bauteile oder Bauteile mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Die Figuren sind rein funktional und schematisch zu verstehen. Die Merkmale in den Figuren sind nicht maßstabsgetreu. Insbesondere sind einige Merkmal übertrieben groß dargestellt, um die Übersichtlichkeit und das Verständnis zu verbessern. Auf korrekte Schnittdarstellungen wird verzichtet, um die Übersichtlichkeit zu verbessern.
Bei den Fixierelementen 5 in den folgenden Figurenbeschreibungen handelt es sich beispielsweise und vorzugsweise um Vakuumfixierungen. Die Regelung der Haltekraft eines Substrats kann hier besonders anschaulich durch die Stärke der Ansaugkraft erzeugt und veranschaulicht werden. Denkbar sind allerdings alle anderen Arten von Fixierelemente, insbesondere elektrostatische Fixierungen Die Figur 1 zeigt eine schematische Seitenansicht einer ersten Ausführungsform eine Substrathalterung 1 , die über mehrere Fixierelemente 5 verfügt, die insbesondere in verschiedenen Fixierabschnitten angeordnet sind. Die Substrathalterung 1 wird dabei in einer Vorrichtung zum Bonden bzw. Verbinden eines ersten Substrats 2u und eines zweiten Substrats 2o genutzt. Dabei nimmt die Substrathalterung 1 in Betriebszustand eines der zu verbindenden Substrate 2u, 2o auf. Vorzugsweise lassen sich die einzelnen Fixierelemente 5 einzeln oder in Gruppen zwischen einem Fixierzustand und einem Freigabezustand überführen. Dadurch lässt sich mit Vorteil auch eine Bondrichtung festlegen, entlang das erste Substrat 2u und das zweite Substrat 2o miteinander verbunden werden. Dabei entwickelt sich ein Bondprozess entlang der Bondrichtung, wobei ein erster Teilabschnitt, der bereits gebondet wurde, und ein zweite Teilabschnitt, der noch zu bonden ist, durch ein Bondwelle 3 voneinander getrennt sind. Während des Bondprozesses verschiebt sich die Bondwelle 3 entlang der Bondrichtung.
Zusätzlich zu den Fixierabschnitten umfasst die Substrathalterung 1 ein Verformungssystem. Das Verformungssystem umfasst bevorzugt mehrere Verformungsabschnitte, in den jeweils eine Verformungsmaßnahme, insbesondere ein Verformungsmittel, vorgesehen ist. Das Verformungssystem ist bevorzugt dazu ausgelegt, gezielt lokal in einem an die Bondwelle 3 angrenzenden Bereich eine Krümmung des Substrats 2u, 2o einzustellen. Dabei betrifft der angrenzenden Bereich den Bereich vor der Bondwelle 3, d. h. der Bereich, der unmittelbar davor steht gebondet zu werden. Vorzugsweise erstreckt sich der angrenzende Bereich über eine Strecke bis zu 5 mm. Bevorzugt bis zu 2,5 mm und besonders bevorzugt bis zu 1 mm vor der Bondstrecke. Mit anderen Worten: das Verformungssystem ist dazu ausgelegt, gezielt lokal auf den Teilbereich des Substrats 2a, 2u einzuwirken, der unmittelbar vor der Bondwelle 3 angeordnet ist. Insbesondere sieht das Verformungssystem insbesondere einen Verformungsabschnitt vor, in dem der angrenzende Bereich gerade angeordnet ist und der gezielt Einfluss nimmt auf das Substrat 2o. 2u, um so dessen Krümmung vor dem Bonden einzustellen. Bevorzugt ist es vorgesehen, dass entlang der Bondrichtung mehrere Verformabschnitte ausgebildet sind, die gezielt die Krümmung des Substrats 2o, 2u beeinflussen können, wenn der an die Bondwelle 3 angrenzenden Bereich beim Bonden in den jeweiligen Verformabschnitt gelangt. Auf diese Weise kann die Krümmung des Substrats beim Bonden ortsanhängig für jeden Teilabschnitt der zu bondenden Substrate eingestellt werden. In einer Ausführungsform werden die Verformabschnitte durch die Fixierabschnitte gebildet, insbesondere wenn mittels der Fixierelemente Einfluss genommen wird auf die Krümmung der Substrate. Die Substrathalteroberfläche 1s des Substrathalters 1 wurde modifiziert und bildet somit eine modifizierte Substratoberfläche bzw. modifizierte Kontaktfläche 6. Die Kontaktfläche 6 umfasst dabei eine Vielzahl an Verformabschnitte. In dem in Figur 1 dargestellten Beispiel wechseln sich die Verformabschnitte und Fixierabschnitte ab. Beispielsweise ist es vorgesehen, dass die Kontaktfläche 6 zwischen zwei Fixierelementen einen Verformabschnitt bildet. Mittels der Modifikation der Kontaktfläche 6 wird dann Einfluss genommen auf die Krümmung des Substrats 2o, 2u während des Bondens. Insbesondere sind die Kontaktflächen 6 in den jeweiligen Verformabschnitten derart modifiziert, dass sie ein Haftvermögen zwischen Kontaktfläche 6 im Verformabschnitt und Substrat 2u, 2o erhöhen oder reduzieren. Eine Modifikation der Kontaktfläche 6 kann auch ein Anheben bzw. Absenken eines Teilabschnitts des Substrats bedingen.
Unterschiedliche Modifikationen sind als Vergrößerungen unterhalb des Substrathalters 1 dargestellt.
Die erste Art der Modifikation kann durch eine Beschichtung 10, insbesondere durch Polymere, erfolgen. Die Beschichtung beeinflusst die Haftfestigkeit zwischen dem Substrathalter 1 und einem fixierten Substrat 2 (nicht eingezeichnet), insbesondere während des Voranschreitens einer Bondwelle bei einem Bondvorgang. Die physikalischen Eigenschaften der Beschichtung 10 können sich als Funktion des Ortes ändern und so eine örtlich aufgelöste Beeinflussung des Bondvorgangs, insbesondere im an die Bondwelle angrenzenden Bereich, bewirken.
Die zweite Art der Modifikation stellt eine strukturierte Substratoberfläche 11 dar. Ein fixiertes Substrat 2 (nicht eingezeichnet) hat abhängig von der Ausführung der strukturierten Substratoberfläche 11 mehr oder weniger Kontakt zum Substrathalter 1 und wird damit mehr oder weniger stark fixiert. Diese Ausführungsform soll auch das Prinzip der Rauheit umfassen, d.h. die im Nanometer- und/oder Mikrometerbereich auftretende Unebenheiten.
Die dritte und vierte Art der Modifikation stellen eine konkave Krümmung 12 und eine konvexe Krümmung 12‘ dar. Diese Krümmungen 12, 12‘ können an unterschiedlichen Positionen des Substrathalters 1 unterschiedliche Krümmungsradien aufweisen. Wird ein Substrat 2 (nicht dargestellt) von einem Fixierelement 5 beispielsweise in eine konkave Krüm- mung 12 gezogen, so wird die zu bondende Substratoberfläche gestaucht. Liegt ein Substrat 2 (nicht dargestellt) hingegen auf einer konvexen Krümmung 12‘ auf, so wird seine zu bondende Substratoberfläche gestreckt. Dadurch wird es möglich, den Verzerrungszustand örtlich aufgelöst einzustellen. Die Krümmungen 12, 12‘ werden in der Figur als örtlich begrenzt dargestellt. Denkbar ist aber auch, dass die konvexen und/oder konkaven Krümmung sich über größere Bereiche des Substrathalters 1 erstrecken, insbesondere also mehrere Fixierelemente 5 umfassen. Denkbar ist auch, dass die gesamte Substrathalteroberfläche 1s über nur eine wohldefinierte konkave Krümmung 12 oder konvexe Krümmung 12‘ verfügt. In diesem makroskopischen Fall kann man auch von Welligkeit sprechen.
Die Figur 2 zeigt eine schematische Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform eines Substrathalters 1. Der Substrathalter 1 verfügt an seiner Peripherie über eine Erhöhung 13. Die Erhöhung 13 kann beispielsweise als vollumfänglicher, geschlossener Sockel ausgeführt sein. Denkbar ist auch, dass sich mehrere solcher vereinzelten und voneinander getrennten Erhöhungen 13 entlang einer geschlossenen Kurve befinden. Die Aufgabe der Erhöhung 13 besteht darin, ein Substrat 2 (nicht eingezeichnet) am Rand leicht anzuheben. Durch diese leichte Anhebung wird die zu bondende Substratoberfläche verzerrt, insbesondere gestaucht.
Die Figur 3 zeigt eine schematische Seitenansicht einer dritten Ausführungsform eines Substrathalters 1 . Der Substrathalter 1 verfügt über mehrere Segmente 7, die unabhängig voneinander verfahren werden können. Das zentrisch gelegene Segment 7 ist vorzugsweise kreisförmig. Bei den anderen Segmenten 7 kann es sich um Kreissegmente handeln. Denkbar ist auch, dass es sich um Segmente 7 handelt, die auch in azimutaler Richtung voneinander getrennt vorliegen.
Die Figur 4 zeigt eine schematische Seitenansicht einer vierten Ausführungsform eines Substrathalters 1 . Der Substrathalter 1 verfügt über mehrerer Verformungselemente 9, die sich in Aussparungen 8, bevorzugt Bohrungen, bewegen können. Die Verformungselemente sind steuer- bzw. regelbar. Die Fixierelemente 5 dienen wiederum der Fixierung des Substrats 2 (nicht eingezeichnet), während die Verformungselement 9 in das Substrat 2 (nicht eingezeichnet) Verzerrungen einbringen können. Die beiden folgenden Figuren stellen das physikalische Prinzip des Bondvorgangs dar, wie er mit den oben beschriebenen Substrathaltern 1 möglich ist. Alle bevorzugten Verfahren können auf den Grundgedanken zurückgeführt werden, dass die Abweichung zwischen den Strukturen einer zu bondenden Substratoberfläche eines ersten Substrats zu den Strukturen einer zu bondenden Substratoberfläche eines zweiten Substrats dann minimal sind, wenn es gelingt, während des Bondvorgangs die voranschreitende Bondwelle 3 so zu beeinflussen, dass die auftretenden Verzerrungen 4o, 4u gleich sind. Dieses Ziel wird insbesondere durch die Einstellung der Verzerrungen 4 in einer Substratoberfläche mindestens eines, vorzugsweise des unteren, Substrats erreicht. Die Beeinflussung einer Verzerrung 4, insbesondere der Verzerrung 4u des ersten Substrats 2u, ist zweckmäßiger und leichter kontrollierbar.
Alle dargestellten Überlegungen beziehen sich immer auf einen Punkt der Grenzfläche zwischen den beiden Substraten 2u, 2o und wird vorzugsweise für alle Punkte der Grenzfläche durchgeführt. Die dargestellten Verzerrungen 4u 4o beziehen sich auf die zu bon- denen Substratoberflächen der Substrate 2u, 2o, werden aber der Übersichtlichkeit halber in der Mitte der Substrate 2u, 2o dargestellt.
Die Figur 5a zeigt die schematische Seitenansicht eines Bondvorgangs zwischen zwei Substraten 2u, 2o entlang der voranschreitenden Bondwelle 3.
Das untere Substrat 2u wurde auf einen unteren Substrathalter 1 u, das obere Substrat 2o auf einen oberen Substrathalter 1o geladen und fixiert. Dargestellt wird ein rechter Teilbereich des Bondvorgangs. Die Bondwelle 3 wird in der Seitenansicht nur als Punkt dargestellt. Die Bondwelle 3 schreitet in der Seitansicht von links nach rechts voran. Erkennbar ist, dass das obere Substrat 2o auf der linken Seite im ersten Teilabschnitt bereits mit dem unteren Substrat 2u verbündet wurde, während es im zweiten Teilabschnitt auf der rechten Seite noch vom oberen Substrathalter 1o gehalten wird.
Hierdurch wird eine lokale Abhebung des unteren Substrats 2u vom unteren Substrathalter 1u auf Grund der um die Bondwelle 3 herrschenden Kräfteverhältnisse verursacht. Das untere Substrat 2u hebt sich nur einige wenige Nanometer oder Mikrometer, schlimmstenfalls Millimeter, vom unteren Substrathalter 1u ab. Durch diese lokale Abhebung werden auch lokale Verzerrungen 4u, 4o im unteren Substrat 2u und/oder im unteren Substrat 2o erzeugt. Die Figur 5b zeigt die schematische Seitenansicht eines Bondvorgangs zwischen zwei Substraten 2u, 2o entlang der voranschreitenden Bondwelle 3 bei der die Abhebung des unteren Substrats 2u vom Substrathalter 1 weniger stark ausfällt als in der Figur 5a. Dies ist auf den Einfluss eines Verformabschnitts zurückzuführen, der Einfluss nimmt auf die erste Krümmung. Denkbar und bevorzugt ist, dass das untere Substrat 2u einfach durch eine stärkere Fixierwirkung des Fixierelements 5 an seiner größeren Abhebung gehindert wird. Das wäre das am einfachsten zu realisierende Verfahren, da so gut wie alle Substrathalter 1 über Fixierelemente 5 verfügen. Denkbar wäre, dass die Substratoberfläche modifiziert wurde und an diesem Punkt eine höhere Haftwirkung ausübt. Denkbar wäre, dass die Substratoberfläche beschichtet wurde und dadurch die Haftwirkung höher ist. Im Unterschied zur Figur 5a hebt sich das untere Substrat 2u nicht soweit vom unteren Substrathalter 1u ab, weil die entsprechende Fixierkraft stärker ist. Dadurch werden durch den Bondvorgang auch kleinere Verzerrungen 4u im unteren Substrat 2u erzeugt. Im Allgemeinen können sich auch die Verzerrungen 4o im oberen Substrat 2o ändern. Um den Bondvorgang besser zu veranschaulichen, wird davon ausgegangen, dass sich die Verzerrungen 4o im oberen Substrat 2o nicht oder nur vernachlässigbar ändern. Dadurch wird eine besondere einfache Gegenüberstellung der Verzerrungsverhältnisse zwischen der Figur 5a und der Figur 5b möglich.
Die Figur 5c zeigt die schematische Seitenansicht eines Bondvorgangs zwischen zwei Substraten 2u, 2o entlang der voranschreitenden Bondwelle 3 bei der die Abhebung des unteren Substrats 2u vom Substrathalter 1 stärker ausfällt als in der Figur 5a. Dies ist auf den Einfluss eines Verformungsmittel zurückzuführen, der Einfluss nimmt auf die erste Krümmung. Denkbar ist, dass das untere Substrat 2u einfach durch eine schwächere Fixierwirkung des Fixierelements 5 eine größere Abhebung erfährt, weil es vom oberen Substrat 2o leichter nach oben gezogen werden kann. Dies erweist sich als vergleichsweise einfache Möglichkeit, das Verfahren zu realisieren, da so gut wie alle Substrathalter 1 über Fixierelemente 5 verfügen. Denkbar wäre, dass die Substratoberfläche modifiziert wurde und an diesem Punkt eine geringere Haftwirkung vorherrscht. Denkbar wäre, dass die Substratoberfläche beschichtet wurde und dadurch die Haftwirkung geringer ist. Im Unterschied zur Figur 5a hebt sich das untere Substrat 2u weiter vom unteren Substrathalter 1u ab, weil die entsprechende Fixierkraft schwächer ist. Dadurch werden durch den Bondvorgang auch größere Verzerrungen 4u im unteren Substrat 2u erzeugt. Im Allgemeinen können sich auch die Verzerrungen 4o im oberen Substrat 2o ändern. Um den Bondvorgang besser zu veranschaulichen, wird davon ausgegangen, dass sich die Verzerrungen 4o im oberen Substrat 2o nicht oder nur vernachlässigbar ändern. Dadurch wird eine besondere einfache Gegenüberstellung der Verzerrungsverhältnisse zwischen der Figur 5a und der Figur 5c möglich.
Auf der rechten Seite der Figuren 5a bis 5c sind die entstehenden Verzerrungen 4o des oberen Substrats und die entstehenden Verzerrungen des unteren Substrats 4u noch einmal dargestellt. Die Verzerrungen des oberen Substrats 4o wurden in Bezug auf die Richtung übernommen. Die Verzerrungen 4u des unteren Substrats wurden gedreht und an die Spitzen der oberen Verzerrungen 4o parallelverschoben. Eine Verzerrung 4u des unteren Substrats 2u verzerrt die Strukturen (nicht eingezeichnet) am unteren Substrat 2u. Gleiches geschieht aber durch die Verzerrungen 4o mit den Strukturen (nicht eingezeichnet) am oberen Substrat 4o. Man definiert daher praktischerweise eine resultierende Verzerrung 4r, welche sich aus der Differenz der beiden Verzerrungen 4u und 4o ergibt. Diese resultierende Verzerrung 4r ist nicht notwendigerweise mit einer mechanischen Verzerrung im Sinne von Dehnung gleichzusetzen, ist aber ein Maß für die Abweichung der Positionen der Strukturen (nicht eingezeichnet) zwischen dem unteren Substrat 2u und dem oberen Substrat 2o.
Die Figur 6 zeigt die schematische Seitenansicht eines Bondvorgangs zwischen zwei Substraten 2u, 2o entlang der voranschreitenden Bondwelle 3 bei der die Bondwelle 3 sich bereits sehr nahe am Rand der Substrate 2u, 2o befindet. Vorzugsweise kann durch eine Erhöhung 13 die Verzerrung 2u eines unteren Substrats 2u so eingestellt werden, dass mit der Verzerrung 4o des oberen Substrats eine resultierende Verzerrung 4r erzeugt wird, die gewünscht ist. Diese Ausführungsform ist insbesondere wichtig um die auftretenden Randdefekte (engl.: Edge voids) zu eliminieren oder zumindest zu reduzieren.
In der Realität wird es nicht möglich sein, die resultieren Verzerrungen 4r vollständig zu reduzieren. Vorzugsweise wird angestrebt, dass die resultierenden Verzerrungen 4r zumindest homogen, d.h. an jeder Position, zumindest betragsmäßig, gleich groß sind.
Bezugszeichenliste:
1 Substrathalter
1 u erste Substrathalterung 1o zweite Substrathalterung 1s Substrathalteroberfläche
2u erstes Substrat
2o zweites Substrat
3 Bondwelle 4, 4o, 4u, 4r Verzerrung
5 Fixierelemente
6 Kontaktfläche
7 verlagerbares Segment
8 Aussparung 9 Verformungsstift
10 Beschichtung
11 Profilierung
12 lokale konkave Krümmung
12‘ lokale konvexe Krümmung 13 Erhöhung

Claims

Ansprüche Verfahren zum Bonden eines ersten Substrats (2u) mit einem zweiten Substrat (2o), wobei das erste Substrat (2u) einen Primärabschnitt und das zweite Substrat (2o) einen Sekundärabschnitt aufweist, wobei beim Bonden des ersten Substrats (2u) mit dem zweiten Substrat (2o) eine entlang einer Bondrichtung fortschreitende Bondwelle (3) zwischen
-- einem ersten Teilabschnitt, in dem das erste Substrat (2u) und das zweite Substrat (2o) verbunden sind, und
-- einem zweiten Teilabschnitt, in dem das erste Substrat (2u) und das zweite Substrat (2o) noch zu verbinden sind, gebildet wird, wobei vorzugsweise ein Teilbereich des zweiten Substrats (2o) im zweiten Teilabschnitt gegenüber einem Teilbereich des zweiten Substrats (2o) im ersten Teilabschnitt in einer senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung höhenversetzt ist, und wobei zur relativen Ausrichtung des Primärabschnitts und des Sekundärabschnitts zueinander, insbesondere in Bezug auf eine im Wesentlichen parallel zur Bondrichtung verlaufenden Richtung, mittels eines Verformungssystems in einem an die Bondwelle (3) angrenzenden und/oder in einem die Bondwelle (3) umfassenden Bereich eine erste Krümmung des ersten Substrats (2u) und/oder eine zweite Krümmung des zweiten Substrats (2o) modifiziert wird. Verfahren gemäß Anspruch 1 , wobei beim Bonden mittels des Verformungssystems eine Differenz aus der ersten Krümmung und der zweiten Krümmung entlang der Bondrichtung zumindest abschnittweis im Wesentlichen konstant gehalten wird. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verformungssystem eine Mehrzahl an Verformungsmitteln aufweist, die entlang der Bondrichtung angeordnet sind. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verformungssystem beim Bonden, beispielsweise mittels einer Steuervorrichtung, verändert wird. Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verformungssystem vor dem Bonden eingestellt wird. Verfahren, gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Einstellung der ersten Krümmung eine Beschichtung zwischen dem ersten Substrat (2u) und einem ersten Substrathalter (1 u), der das erste Substrat (2u) beim Bondvorgang trägt, angeordnet wird. Vorrichtung zum Bonden eines ersten Substrats (2u) mit einem zweiten Substrats (2o), insbesondere mittels eines Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Substrat (2u) einen Primärabschnitt und das zweite Substrat (2o) einen Sekundärabschnitt aufweist, wobei die Vorrichtung dazu konfiguriert ist, dass beim Bonden des ersten Substrats (2u) mit dem zweiten Substrat (2o) eine entlang einer Bondrichtung fortschreitende Bondwelle (3) zwischen
-- einem ersten Teilabschnitt, in dem das erste Substrat (2u) und das zweite Substrat (2o) verbunden sind, und
-- einem zweiten Teilabschnitt, in dem das erste Substrat (2u) und das zweite Substrat (2o) noch zu verbinden sind, gebildet wird, wobei vorzugsweise ein Teilbereich des zweiten Substrats (2o) im zweiten Teilabschnitt gegenüber einem Teilbereich des zweiten Substrats (2o) im ersten Teilabschnitt in einer senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung höhenversetzt ist, wobei die Vorrichtung zur relativen Ausrichtung des Primärabschnitts und des Sekundärabschnitts zueinander, insbesondere in Bezug auf eine im Wesentlichen parallel zur Bondrichtung verlaufenden Richtung, ein Verformungssystem aufweist, das dazu konfiguriert ist, dass in einem an die Bondwelle (3) angrenzenden und/oder in einem die Bondwelle (3) umfassenden Bereich eine erste Krümmung des ersten Substrats (2u) und/oder eine zweite Krümmung des zweiten Substrats (2o) modifizierbar ist. Vorrichtung gemäß Anspruch 7, wobei das erste Substrat (2u) beim Bonden in einem ersten Substrathalter (1u) gehalten wird, wobei der erste Substrathalter (1u) Fixierabschnitte mit Fixierelement (5) zum Fixieren des ersten Substrats (2u) und/oder Verformungsabschnitte mit Verformungsmitteln zum Einstellen der ersten Krümmung aufweist. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei sich entlang der Bondrichtung zumindest abschnittsweise Fixierabschnitte und Verformungsabschnitte abwechseln. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei das Verformungssystem eine Beschichtung aufweist, die während des Bondvorgangs zwischen dem ersten Substrat (2u) und dem ersten Substrathalter (1u) angeordnet ist und/oder zwischen dem zweiten Substrat (2o) und dem zweiten Substrathalter (1o). Vorrichtung gemäß Anspruch 7 bis 10, wobei das Verformungssystem eine Mikrostruktur an einer Kontaktfläche (6) des ersten Substrathalters (1u) und/oder zweiten Substrathalter (1o) umfasst. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verformungssystem eine zumindest abschnittsweise verlagerbare Kontaktfläche (6) umfasst. Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verformungssystem eine zumindest abschnittsweise profilierte Kontaktfläche (6) aufweist, wobei die profilierte Kontaktfläche (6) konkav, konvex und/oder gestuft ist. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 13, wobei der erste Substrathalter (1u) und/oder zweite Substrathalter (1o) als Teil des Verformungssystems eine Erhöhung im Randbereich aufweist. Anordnung aus einem ersten Substrat (2u) und einem zweiten Substrat (2o) hergestellt mit einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, vorzugsweise mit einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 7 bis 14.
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