用以接合衬底的装置及方法

用以接合衬底的装置及方法
【专利摘要】本发明涉及一种用以使用以下步骤、尤其按以下顺序在该衬底(3、8)的接触表面(3k、8k)上将第一衬底(3)接合至第二衬底(8)的方法：- 在第一接纳设备(1)的第一接纳表面(2o)上安置该第一衬底(3)且在第二接纳设备(4)的第二接纳表面(2o')上接纳该第二衬底(8)，- 在接合起始位点(20)上接触该接触表面(3k、8k)，- 沿着自该接合起始位点(20)行进至该衬底(3、8)的侧边缘(3s、8s)的接合波将该第一衬底(3)接合至该第二衬底(8)，其特征在于：该第一衬底(3)和/或该第二衬底(8)经变形以在该接合之前和/或在该接合期间使该接触表面(3k、8k)在该接合起始位点(20)外对准。此外，本发明涉及一种对应装置。
【专利说明】用以接合衬底的装置及方法

【技术领域】
[0001]本发明是涉及一种如权利要求1中所主张的用以将第一衬底接合至第二衬底的方法及一种如权利要求9中所主张的对应装置。

【背景技术】
[0002]微电子及微系统工程中的几乎全部零件的不断发展的小型化提供全部技术的持续发展，使用该技术可增加衬底上的各种功能单元的密度。这种功能单元包含(例如)微控制器、内存组件、MEMS、各种传感器或微流体组件。
[0003]在近几年已大程度改良用以增加这个功能单元的侧向密度的技术。在微电子或微系统工程的一些分支中即使迄今为止该功能单元的侧向密度的进一步增加是不再可能的。在微芯片生产中对于待平版印刷产生的结构的最大可达成分辨率限制已达极限。在几年后，实体或技术限制因此将不再允许功能单元的侧向密度的任何增加。近年来业界经由
2.5D及3D技术的发展一直企图解决此问题。使用这个技术可使相同或甚至不同类型的功能单元彼此对准、使其互相堆叠、使其彼此永久结合且经由对应印刷电路使其彼此联网。
[0004]用以实施这个结构的关键技术是永久接合。永久接合所定义的方法可使衬底彼此结合，使得其仅能经由高能量消耗及衬底的相关联破坏而分离。存在不同类型的永久接合。
[0005]一种最重要永久接合的方法是熔化接合，也称为直接接合或分子接合。熔化接合定义为经由形成共价连接使两个衬底永久结合的过程。熔化接合主要形成于非金属无机材料的表面上。
[0006]基本上，应区分预接合与实际永久接合。预接合定义为在两个表面接触时自发形成的表面的连接；其接合强度是小于经由随后热处理产生的永久接合的接合强度。然而，经由预接合引起的接合强度是足以在不引起两个衬底彼此偏移的情况下运输该衬底。因此尽管两个衬底之间的接合强度是非常可能足以使易于运输该衬底堆叠，然而该接合强度如此低使得可使用特殊装置实现该两个衬底的重复、非破坏性分离。此具有主要优点:在预接合之后，两个衬底的结构可经测量且其相对位置、扭曲及定向可经判定。若在测量过程期间确定存在该结构的误差定向和/或局部和/或全局扭曲或接口中存在微粒，则衬底堆叠可相应地再次分离及再处理。在成功并且经大致确认的预接合之后，经由热处理过程产生永久接合。在该热处理过程期间经由热能的供应而发生化学和/或物理强化两个衬底的表面的连接。此永久接合是不可逆的，即两个衬底不再可能非破坏性分离。随后不能再明确区分预接合与永久接合，一般而言仅存在接合。
[0007]最常见熔化接合是在硅及氧化硅衬底上进行。硅是归因于其半导体性质而用作用以产生微电子组件(诸如微芯片及内存)的基底材料。所谓直接接合也可形成于高度抛光金属表面之间。其中的接合性质不同于熔化接合的性质，但两个表面经由前进接合波互相接触所使用的机构也可经由相同物理学描述。也可考虑两个混合表面经由所谓混合接合的结合。混合表面定义为由至少两个不同材料组成的表面。该两个材料其中之一一般而言是局限于小空间而第二材料围绕该第一材料。例如，金属接触件是由电介质围绕。当经由两个混合表面的接合产生混合接合时，接合波是主要经由该电介质之间的熔化接合驱动，而该金属接触件经由该接合波自动相接。电介质及低k材料的实例包含:
-基于非硅的:
聚合物聚酰亚胺芳族聚合物聚对二甲苯 PTFE 非晶碳 -基于娃的:
基于硅酸盐的 TEOS (原硅酸四乙酯)
S1F
S1CH
玻璃(硼硅玻璃、铝硅玻璃、硅酸铅玻璃、碱硅酸盐玻璃等)
一般的
Si3N4
SiC
S12
SiCN
乙基娃倍半环丙烧(Silsesqu1xane)
HSSQ
MSSQ
在两个衬底的永久结合中的最大技术问题其中之一是个别衬底之间的功能单元的对准精确度。尽管该衬底可经由对准系统非常精确地彼此对准，然在接合过程本身期间可发生该衬底的扭曲。归因于以此方式发生的该扭曲，功能单元将不一定在全部位置处正确地彼此对准。在衬底上的特定点处的对准精确度可为扭曲、按比例调整误差、透镜误差(放大或缩小误差)等的结果。
[0008]在半导体工业中与这个问题有关的全部副主题可纳入术语“覆盖”下。对此主题的对应介绍可在以下找到(例如):Mack, Chris.Fundamental Principles of OpticalLithography - The Science of Microfabricat1n.WILEY, 2007 年，2012 年重印。
[0009]在实际制造过程之前各功能单元是于计算机中设计。(例如)印刷电路、微芯片、MEMS或可使用微系统技术产生的任何其它结构是以CAD (计算机辅助设计)设计。然而，在产生功能单元期间显示在设计于计算机上的理想功能单元与在空旷空间中产生的真实功能单元之间总是存在偏差。该差异可主要归因于硬件的限制(因此为工程设计问题)，但很多时候归因于实体限制。因此，经由光平版印刷过程产生的结构的分辨率精确度是受到光罩的孔径的尺寸及所使用的光的波长所限制。屏蔽扭曲将直接转移至抗蚀剂上。机械的线性马达仅可在给定容差内趋近可重现位置等。因此不足为奇的是，衬底的功能单元不能精确等于计算机设计结构。因此，全部衬底在接合过程之前已与理想状态有不可忽略的偏差。
[0010]若在两个衬底中没有一个受到结合过程扭曲的假定下比较两个衬底的两个相对功能单元的位置和/或形状，则可确定一般而言存在该功能单元的不完全迭合，此是因为这个由上文描述的误差影响而偏离理想计算机模型。最频繁误差是展示于图8中(复制自:http://commons.wikimedia.0rg/wiki/File: Overlay - typical model terms DE.svg,2013 年 5 月 24 日及 Mack, Chris.Fundamental Principles of Optical Lithography -The Science of Microfabricat1n.Chichester: WILEY,第 312 页，2007 年，2012 年重印)。根据附图可大致区分全局及局部以及对称及不对称覆盖误差。全局覆盖误差是均匀的，因此独立于位点。无论位置如何，其在两个相对功能单元之间产生相同偏差。经典全局覆盖误差是经由使两个衬底彼此平移或旋转而形成的误差I及误差II。该两个衬底的该平移或旋转对于当时在衬底上相对的全部功能单元产生对应平移或旋转误差。局部覆盖误差取决于位置而发生，主要源于弹性和/或塑性的问题，在此情况中主要由连续传播的接合波引起。在所描述的覆盖误差中，主要地，误差III及误差IV是称为偏转(run-out)误差。这个误差主要经由接合过程期间的至少一个衬底的扭曲发生。参考第二衬底的功能单元的第一衬底的功能单元也是经由至少一个衬底的扭曲而扭曲。然而，误差I及误差II也可经由接合过程发生，但一般而言是经由误差III及误差IV显著迭加使得仅可困难地辨识及测量它们。
[0011]在先前技术中已存在系统，使用该系统可至少部分降低局部扭曲。此是归因于使用主动控制组件的局部扭曲的问题(W02012/083978A1)。
[0012]在先前技术中存在校正偏转误差的起始方法。US20120077329A1描述用以在经由未固定的下部衬底接合期间及在其后获得两个衬底的功能单元之间的所要对准精确度的方法。以此方式该下部衬底并不受边界条件支配且可在接合过程期间自由地接合至上部衬底。先前技术中的重要特征主要是衬底的平坦固定(大多经由真空装置)。
[0013]发生的偏转误差是在径向对称地围绕接触位点的大多数情况中更显著，因此自该接触位点增加至周边。在大多数情况中为偏转误差的线性增加的强化。在特殊条件下该偏转误差也可非线性增加。
[0014]在尤其最佳条件下，偏转误差可不仅经由对应测量装置判定(EP2463892)而且也可经由数学函数描述。因为偏转误差构成良好定义点之间的平移和/或旋转和/或按比例调整，所以它们有利地经由向量函数描述。一般而言此向量函数是函数f:R2 —R2，因此使局部坐标的二维定义区域成像至偏转误差向量的二维值范围中的成像标准。尽管不能完成对应向量场的精确数学分析，然而关于函数性质作出假定。向量函数极大机率地为Cn η>=1函数，因此其至少可连续求微分一次。因为偏转误差自接触点朝向边缘增加，所以向量函数的发散将可能不同于零。因此，向量场具有极大机率将为源场。


【发明内容】

[0015]本发明的目的是提供一种用以接合两个衬底的装置及方法，经由该装置及该方法提高接合精度(尤其在该衬底的边缘上)。
[0016]经由权利要求1及9的特征达成此目的。本发明的有利发展是在随附权利要求书中给定。说明书、权利要求书和/或附图中给定的特征的至少两者的全部组合落在本发明的范畴内。对于给定值范围，介于所指示限制内的值应视为揭示为边界值且能够以任何组合所要求保护。
[0017]本发明是基于以下理念:两个衬底的至少一个(优选地第二衬底和/或下部衬底)经变形以在接合之前和/或在该接合期间，尤其在接合波的行进期间，优选地在熔化接合中使接触表面尤其仅在接合起始位点外对准。变形尤其意谓偏离起始状态(尤其衬底的起始几何形状)的状态。根据本发明，在尤其经由允许第一 /上部衬底落下或经由使其脱离而使接触表面接触之后起始接合。尤其根据该装置提供对应接合构件。
[0018]在起始状态中衬底是大致(尤其在接触表面上)或多或少平坦，除突出超出该接触表面的任何结构(微芯片、功能组件)及衬底容差(诸如弯曲和/或厚度波动)以外。在该起始状态中(但在大多数情况中)衬底具有不同于零的曲率。对于300 _晶圆而言小于50 ym的曲率是常见的。从数学上考虑，曲率可视为曲线局部偏离其平面状态的测量。在特定情况中检查其厚度相较于直径较小的衬底。因此在良好逼近中可解决平面的曲率。在平面的情况中，起始提及的平坦状态是在其中检查曲率的该点处的曲线的切向平面。一般而言，本体(在特殊情况中为衬底)并不具有均匀曲率使得该曲率是位点的显函数。因此可(例如):在中心的非平面衬底具有凹曲率，然而在其它位点处具有凸曲率。随后在最简单情况中曲率是仅在未探究数学家、物理学家及工程师已知的更多数学细节的情况下描述为凹曲率或凸曲率。
[0019]根据本发明的大多数实施例的尤其独立核心理念主要在于:彼此接合的两个衬底的曲率半径是至少在该衬底的接触区域中相同，因此在接合波的接合前部或接合线，或至少仅在边缘上彼此偏离。因此，在衬底的接合前部/接合线的两个曲率半径的差异是小于10 m，优选地小于I m，更有利地小于I cm，最有利地小于I mm，又更有利地小于0.01 mm,最优选地小于I μ m。一般而言，根据本发明的最小化曲率半径Rl的全部实施例是有利的。换言之，本发明是关于一种方法及系统，使用该方法及该系统可将两个衬底彼此接合使得其局部对准误差(称为偏转误差)变为最小。此外，本发明是基于以下理念:尤其经由几何、热力学和/或机械补偿机构控制待彼此接合的两个衬底使得选取形成接合波的影响因素使得该两个衬底并不彼此局部偏移，因此正确对准。此外，本发明描述一种根据本发明的由具有已减少的偏转误差的已彼此接合的两个衬底组成的物品。
[0020]如本发明所主张般在接合，尤其永久接合，优选熔化接合方面有特性的过程是两个衬底的尽可能中心的点接触。一般而言，两个衬底的接触也可在非中心发生。自非中心接触点传播的接合波将在不同时间到达衬底边缘的不同位置处。接合波行为及所得偏转误差补偿的完全数学物理描述将会相应地复杂。但一般而言该接触点将不远离衬底的中心使得可能所得效应是至少在边缘上可忽略。可能非中心接触点与衬底的中心之间的距离是小于100 mm,有利地小于10 mm,更有利地小于I mm,最有利地小于0.1 mm,最优选地最优选地小于0.01 mm。在以下描述中接触通常意谓中心接触。中心在较广泛意义上是有利地定义为下放的理想本体的几何中心点，(若需要)其关于不对称补偿。在具有凹口的工业常见的晶圆中，中心是因此为围绕不具有凹口的理想晶圆的圆的中点。在具有平坦部分(平坦化侧)的工业常见的晶圆中，中心是围绕不具有平坦部分的理想晶圆的圆的中点。类似考虑应用于任何形状的衬底。然而，在特殊实施例中，将衬底的重心定义为中心可为有用的。为确保精确、中心的点接触，可经由其中的平移而移动的具有中心孔及接针的上部接纳设备(衬底固持件)是具有径向对称固定。使用喷嘴(该喷嘴使用流体，优选地气体)代替接针施加压力也将可想象的。此外，当在进一步假定(两个衬底的至少一个，优选地上部衬底，归因于重力在另一衬底的方向上具有外加曲率且因此在所提及的互相平移趋近中，在离对应第二衬底相对较小距离处，自动接触)下提供可经由平移移动使两个衬底朝向彼此移动的装置时，甚至可完全放弃使用这个组件。
[0021]径向对称固定是附接真空孔、圆真空唇缘或类似的真空组件，可使用其固定上部晶圆。使用静电接纳设备也可想象的。上部衬底固持件的中心孔中的接针是用于经固定的上部衬底的可控制挠曲。
[0022]在使两个衬底的中心完全接触之后，释放上部衬底固持件的固定。该上部衬底一方面归因于重力而坠落且另一方面归因于沿着接合波及在衬底之间作用的接合力而坠落。该上部衬底自中心至侧边缘径向连接至下部衬底。因此，尤其自该中心延伸至该侧边缘的径向对称接合波的发明形成发生。在接合过程期间两个衬底按压在接合波前部，存在于该衬底之间的气体(尤其空气)且因此提供不具有气包体的接合边界表面。上部衬底在坠落时基本上位于类型的气垫上。
[0023]第一 /上部衬底在于接合起始位点处起始接合之后并不受额外固定，因此除接合起始位点处的固定以外其可自由移动且也可经扭曲。相对于其径向厚度无穷小的各圆片段将经由根据本发明的前进的接合波、发生于接合波前部上的应力状态及现有几何边界条件而经受扭曲。但因为衬底代表刚性本体，所以该扭曲依据距中心的距离的函数而合计。此导致偏转误差，该偏转误差将经由根据本发明的方法及根据本发明的装置消除。
[0024]因此本发明也涉及一种用以在接合期间尤其经由热力学和/或机械补偿机构减少或甚至完全避免两个接合衬底之间的偏转误差的方法及装置。此外，本发明处理使用根据本发明的装置及根据本发明的方法制造的对应物品。
[0025]在本发明的第一实施例中，接纳表面上的用以接纳第一衬底的第一、尤其下部接纳或接纳设备经磨光和/或经抛光和/或凸形或凹形地搭接。优选地，该接纳设备经凸形磨光使得固定于其上的衬底是在接触点或接合起始位点的方向上弯曲。
[0026]第一和/或第二接纳表面的曲率半径是尤其大于0.01 m，有利地大于0.1 m，更有利地大于I m，还更有利地大于10 m，最有利地大于100 m，最优选地大于1000 m。在特殊实施例中第一/下部接纳设备的曲率半径是与经由第二/上部接纳设备凭借致动构件(尤其接针)产生的第二 /上部衬底的曲率半径尺寸相同，尤其在十的幂(Zehnerpotenz)的相同数量级内。由此导致相对于用以接合的几何形状对称的起始位置。
[0027]若第一 /下部接纳表面经磨光使得实体不对称是经由垂直作用于接纳表面上的重力场校正使得接合波总是在相同水平平面内移动，则这是有利的。
[0028]第一和/或第二衬底是优选径向对称。尽管该衬底可具有任何直径，然晶圆直径尤其为I英寸、2英寸、3英寸、4英寸、5英寸、6英寸、8英寸、12英寸、18英寸或大于18英寸。第一和/或第二衬底的厚度是优选介于I μπι与2000 μπι之间，有利地介于10 μ m与1500 μ m之间，更有利地介于100 μ m与1000 μπι之间。
[0029]在特殊实施例中，衬底可具有矩形形状或偏离圆形的至少一个。在下文中衬底尤其定义为晶圆。
[0030]在下部/第一接纳设备的第二实施例中，可调整下部/第一接纳表面的曲率半径。在尤其简单实施例中，下部接纳设备具有支撑板，该支撑板是足够厚以并不经由非必要外部影响变形，但该支撑板已制造为足够薄以经由自下面作用的控制力而形成凸形或凹形形状。尤其是，该支撑板具有大于10_7 Nm2，有利地大于10_3 Nm2，更有利地大于I Nm2，还更有利地大于13 Nm2，最优选地大于17 Nm2的抗弯硬度。根据本发明的实施例，下部/第一接纳设备的尤其内部零件由优选高度弹性隔膜组成，该弹性隔膜可由气动作用和/或水压作用和/或压电作用而膨胀和/或收缩。该气动和/或水压和/或压电组件是优选均匀分布且可个别控制。
[0031]在根据本发明的另一实施例中，制造下部/第一接纳设备使得下部/第一衬底是甚至在接触的前经由加热和/或冷却构件以受控制方式变形(尤其侧向压缩或膨胀)程度，该变形程度是在稍后接触中最佳、理想地完全补偿发生的偏转误差所必要的。因为在此实施例中下部/第一衬底的固定仅在对应变形的后发生，所以不需要对该下部/第一衬底或下部/第一接纳设备的热膨胀系数指定特殊值。
[0032]在根据本发明的另一特殊程序中，下部/第一衬底的接触在加热和/或冷却过程之前发生。经由在加热和/或冷却过程之前固定，下部/第一衬底遵循下部/第一接纳设备的热膨胀使得该下部/第一接纳设备的热膨胀系数可用以指示该衬底的(热)膨胀。尤其优选的是，下部/第一衬底及下部/第一接纳设备的热膨胀系数是相同的使得在加热和/或冷却过程中没有热应力或至少小热应力发生于该下部/第一衬底中。也可根据本发明想象热膨胀系数为不同的。在不同热膨胀系数的情况中，在中间的下部/第一衬底将遵循下部/第一接纳设备的热膨胀。
[0033]此处在第一接纳设备与第二接纳设备之间设定的温度差异是小于20°C，有利地小于10°c。更有利地小于5°C，最有利地小于2°C，最优选地小于1°C。各接纳设备是根据本发明透过尽可能均匀加热。尤其是，存在温度场，其在任何两点处的温度差异是小于5°C，有利地小于3°C，更有利地小于1°C，最有利地小于0.1°C，最有利地小于0.05°C。
[0034]在根据本发明的另一实施例中，第一接纳设备经设计使得接纳表面上的该接纳设备可经由机械致动构件以受控制方式变形(尤其压缩和/或膨胀)。固定于第一接纳设备的表面上的第一衬底是归因于其相对于该接纳设备较小的厚度同时经由该接纳设备的变形而变形。该接纳设备是使用气动和/或水压和/或压电致动器变形，该致动器分布于衬底接纳座周围，优选径向对称而配置。对于完全对称、纯粹径向扭曲需要在的120°的角距离处配置的至少三个致动器。需要有利地超过5个致动器，更有利地超过10个致动器，更有利地超过20个致动器，还更有利地超过30个致动器，最有利地超过50个致动器。
[0035]在根据本发明的另一实施例中，两个衬底的接触表面是在垂直位置处彼此接合。此特殊实施例的任务主要在于经由重力降低晶圆的变形，优选使其至少对称配置，尤其有利地完全防止和/或补偿经由重力的变形。有利地，在垂直位置中两个衬底是各经由致动构件，尤其是各经由接针尤其同时对称地弯曲至接合起始位点使得凸形表面可在该接合起始位点中接触。使用接合波的尤其自动的接合过程是经由使衬底的至少一个自接纳表面脱离而开始。
[0036]根据本发明的实施例是优选在所定义、尤其可控制氛围中，尤其在正常压力操作。
[0037]根据本发明的全部所提及实施例在特殊版本中可实施于低真空中、更有利地高真空中，还更有利地超高真空中，尤其是具有小于100 mbar、有利地小于KT1 bar、更有利地小于ICT3 bar、还有利地小于ICT5 bar、最有利地小于ICT8 bar的压力。
[0038]在根据本发明的进一步实施例中，控制影响接合波的传播(尤其是传播速度)的至少一个因素和/或影响接触表面的对准的至少一个因素。监测该接合波，尤其关于其速度。尤其是，该速度是经由在其中完成接合的氛围中的气体的成分和/或密度和/或温度间接控制。尽管根据本发明的方法是优选在低压氛围中，优选在真空中进行，然在另一氛围中，尤其是在正常压力的范围中进行接合过程可为有利的。归因于点接触，根据本发明的接合中的接合波总是自中心径向对称地行进至侧边缘且在此过程中按压在其前部中的环形气垫。沿着该接合波的尤其是大致圆环形接合线(接合前部)，此较大接合力盛行使得气泡的包体完全不能出现。因此，上部/第二衬底在接合过程期间位于类型的气垫上。
[0039]经由根据本发明选择气体/气体混合物及定义气垫的性质而确定第二衬底可多快速及多强烈地降低和/或膨胀。此外，接合波的速度也可经由该气体的性质予以控制。
[0040]根据本发明的另一、尤其是独立方面选取气体混合物的成分。优选地，使用尽可能轻的具有原子和/或分子类型的气体，该气体在给定温度下具有相应低惯性。因此气体成分的至少一个的莫耳质量是小于1000 g/mole,优选小于100 g/mole,更佳小于10 g/mole,最优选地小于I g/mole。更佳地，将所使用的气体混合物的密度设定为尤其是尽可能小，和/或将温度设定为尤其是如所需要般高。根据本发明将气体密度设定为小于10 kg/m3,优选小于I kg/m3,更佳小于0.1 kg/m3,最佳小于0.01 kg/m3。根据本发明将气体的温度设定为大于0°C，优选大于100°C，更佳大于200°C，最佳大于300°C，最优选地大于400°C。根据本发明选取前述参数使得选定气体混合物或该气体混合物的个别成分并不冷凝。以此方式避免在接合过程期间衬底的表面上的液包体。
[0041]类似考虑应用于气体混合物，该气体混合物的热力学性质是展示于多组分相图中。经由改变气体混合物的成分和/或压力和/或温度，影响第一和/或第二衬底的运动学且因此也减少偏转误差。
[0042]尤其优选的是，选取全部可变参数使得接合波参考现有起始及边界条件以尽可能最佳的速度传播。主要对于现有氛围，尤其在正常压力下，尽可能缓慢的接合波的速度是有利的。接合波的速度是小于200 cm/s,优选小于100 cm/s,更佳小于50 cm/s,最佳小于10cm/s,最优选地小于I cm/s。尤其是接合波的速度是大于0.1 cm/s。尤其是沿着接合前部的接合波的速度是恒定的。在真空环境中接合波的速度自动变快，这是因为沿着接合线结合的衬底不需要克服经由气体的任何阻力。
[0043]根据另一、尤其是独立本发明的方面，加强板是插入于上部/第二接纳设备上的接纳表面与上部/第二衬底之间。该加强板是尤其是暂时接合至该衬底且在接合期间改变该上部/第二衬底的行为。该加强板与该上部/第二衬底之间的连接经由该加强板中的构造设计固定而发生。该固定是优选真空固定。静电固定、将衬底重新卡紧于边缘上的非常精简机械固定及经由高度抛光加强板表面的黏合固定也将可想象的。
[0044]根据本发明的另一特定独立方面，偏转误差是在接触之前和/或在接合起始位点外经由两个衬底之间的非常小距离设定。该距离是尤其是小于100 μ m，优选小于50 μπι,更佳小于20 μ m,最佳小于10 μπι。
[0045]根据本发明尤其优选的是，若两个衬底的曲率半径(尤其在接合前部上)彼此偏离小于5%，若两个衬底的曲率半径优选相同的。
[0046]在根据本发明的全部实施例的另一特殊改进方案中，下部/第一接纳设备和/或上部/第二接纳设备具有如致动构件尤其中心孔及接针，使用该致动构件可在接合起始位点的方向上实现各自衬底的凸曲率。
[0047]尤其用以衬底的挠曲的接针、衬底的互相趋近、监测温度、压力及气体成分的上文所描述的步骤和/或移动和/或顺序是优选经由中央控制单元，尤其具有控制软件的计算机予以控制。
[0048]可使用任何已知技术以任何可想象方式将衬底接纳及固定于接纳设备上。真空样本固持件、静电样本固持件、使用机械夹箝的样本固持件是根据本发明尤其是可想象的。优选地，衬底是仅固定于在侧边缘的区域外尽可能远的圆片段中以提供衬底在固定内膨胀的最大可挠性及自由。
[0049]本发明的另一、尤其是独立方面在于:以尽可能协调的方式且同时经由暴露至预应力的衬底的至少一个准独立地接触，该预应力在接触的前尤其同心地延伸至该衬底的接触表面的中间M径向至外部且接着仅接触的开始受影响，而在区段(尤其是该衬底的中间M)的接触之后，该衬底经释放且基于其预应力自动接合至受控制的相对衬底。该预应力是经由第一衬底凭借变形构件的变形达成，该变形构件尤其基于其形状作用于背离接合侧的侧上且该变形可经由使用不同(尤其可互换)变形构件相应地控制。该控制也经由压力或力发生，变形构件使用该压力或该力作用于衬底上。此处减小具有半导体衬底的接纳设备的有效接纳表面使得该半导体衬底是仅部分经由接纳设备支撑是有利的。以此方式较小接触表面产生晶圆与样本固持件或接纳设备之间的较小黏合。固定是根据本发明应用于(尤其仅)半导体衬底(第一衬底)的周边的区域中使得在接纳设备的接纳轮廓与半导体衬底之间的同时尽可能小的有效接纳表面的情况下存在有效固定。因此同时半导体衬底的适度及可靠脱离是可能的，此是因为使晶圆脱离所需的脱离力是尽可能小。该脱离是主要可(尤其)经由降低接纳表面上的负压力予以控制。“可控制”意谓在晶圆与第二晶圆接触之后样本固持件上的晶圆仍保持固定且仅经由接纳表面上的负压力的专属(受控制)降低实现衬底(晶圆)自样本固持件(接纳设备)的脱离，尤其自内部至外部。根据本发明的实施例主要导致能够经由非常小的力实现的脱离。
[0050]衬底(晶圆)是在接合过程之前彼此对准以确保在其表面上的对应结构的相同迭合(精确对准，尤其具有小于2 μ m，优选小于250 nm，更佳小于150 nm，最佳小于100 nm的精度)。在根据本发明的接合方法中，晶圆并未彼此平坦堆叠，但经由两个晶圆其中之一轻轻按压抵靠第二晶圆或在相对晶圆的方向上相应地变形而首先在中间M中彼此接触。在经变形(在相对晶圆的方向上)挠曲的晶圆的脱离之后，发生连续及更均匀熔接，其是尤其是至少很大程序上自动的且其是与最小力相关联且因此与经由接合波的前进的沿着接合前部的最小主要水平扭曲相关联。
[0051]本发明的另一、尤其是独立方面在于:取决于对于接合波行进的给定影响因素控制第一衬底和/或第二衬底的变形。该影响因素尤其包含围绕衬底的氛围的周围压力、存在于该氛围中的气体/气体混合物的类型、温度、接合起始位点外衬底之间的距离、该衬底的接合强度、任何预处理步骤、表面的成分、表面粗糙度、表面上的材料及晶圆厚度/弯曲强度。
[0052]只要达到接合起始位点布置在衬底的接触表面的中心的程度，可实现接合波的均匀、尤其是同心行进。
[0053]若第一衬底和/或第二衬底的变形在侧向方向上和/或凸形和/或凹形地，又更佳镜像对称地发生，则此是尤其是有利的。换言之，该变形根据本发明尤其经由第一衬底和/或第二衬底的膨胀或压缩或弯曲而进行。
[0054]优选地，衬底具有大致相同直径D1、D2，该直径D1、D2尤其是彼此偏离小于5 mm,优选小于3 mm,又更佳小于I mm。
[0055]根据本发明的另一尤其独立方面，变形经由机械致动构件和/或经由第一和/或第二接纳设备的温度控制而发生。
[0056]经由将第一衬底和/或第二衬底仅固定于第一和/或第二接纳表面上的侧壁的区域中，可更容易完成根据本发明的变形。
[0057]根据装置所揭示的特征也应如根据方法所公开般考虑且反之亦然。

【专利附图】

【附图说明】
[0058]将自使用附图的优选例示性实施例的以下描述明白本发明的其它优点、特征及细节:
图1展示根据本发明的装置的第一实施例的示意截面图，
图2展示根据本发明的该装置的第二实施例的示意截面图，
图3展示如发明中所主张的该装置的第三实施例的示意截面图，
图4展示如发明中所主张的该装置的第四实施例的示意截面图，
图5展示如发明中所主张的该装置的第五实施例的示意截面图，
图6展示根据本发明的接合的方法步骤的示意图，
图7a展示在衬底的侧边缘的区域中的具有对准误差dx的经接合衬底对的示意图，
图7b展示根据本发明的在接合波的区域中的两个衬底的放大示意图，
图7c展示不具有对准误差/偏转误差的两个衬底的放大示意图，
图7d展示具有对准误差/偏转误差的两个衬底的放大示意图，及图8展示可能覆盖或偏转误差的符号表示。
[0059]在该附图中相同组件及具有相同功能的组件使用相同组件符号标记。

【具体实施方式】
[0060]图1展示由基体9及接纳体2组成的作为衬底样本固持件的下部第一接纳设备I。该接纳体2具有在相对第二接纳设备4的方向上布置在顶部且在所绘示情况中为凸形弯曲的第一接纳表面20。可使该接纳体2互换为模块且可与基体9分离。因此，该基体9是用作接纳体2与接合器的下部接纳单元(未展示)的间的配接器。(若需要)则此使有可能根据本发明进行具有不同曲率R的不同模块化接纳体2之间的迅速变化。
[0061]在接纳体2上布置有呈真空路径形式的固定构件6，使用该固定构件6可将下部第一衬底3固定于接纳表面2o上。
[0062]因为曲率半径R是根据本发明优选非常大且因此该曲率使用肉眼基本上不可侦测(附图中的表示经高度放大及示意性的)，所以可根据本发明想象执行不具有固定构件6的第一接纳设备且最终将第一衬底放置于接纳表面2ο上。经由静电、电或磁性固定构件的黏合也可根据本发明想象。
[0063]制造成衬底样本固持件的第二接纳设备4由基体2’组成，该基体2’具有可尤其是在同心区段中等距对准至第一接纳表面2ο的对应同心区段的第二接纳表面20’。
[0064]基体2’具有呈孔的形式的开口 5及类似于第一接纳设备I的固定构件的固定构件6。
[0065]该固定构件6’是用于将上部、第二衬底8固定于背离该第二衬底8的接触表面8k的侧上。
[0066]呈接针7的形式的致动构件是用于变形(此处为挠曲)且因此用于第二衬底8至弯曲的第一衬底3的主要点趋近，尤其在曲率最大的区域中。
[0067]在特殊实施例中，可根据本发明想象使接纳体2作为可由气动作用和/或水压作用膨胀及收缩的可伸展组件，尤其是枕垫，尤其用耐热和/或耐腐蚀材料。
[0068]图2展示具有接纳体2〃的第二实施例，其中第一接纳表面2ο可经由制造为拉杆和/或推杆的致动组件10以受控制方式变形。该接纳座2"具有尤其同心地延伸的固定区段16及包含第一接纳表面2ο的变形区段17。该变形区段17具有至少主要地恒定厚度且因此主要地恒定抗弯硬度。致动组件10定位于(尤其固定于)变形区段17的背离接纳表面2ο的致动侧上。经由致动组件10变形区段17可在微米范围中变形，尤其可凸形或凹形地弯曲。该致动组件10此处行进大于0.01 μ m，优选大于+/-1 μ m,更佳大于+/- 10Pm,又更佳大于+/- 100 μπι,最佳大于+/-1 mm,最优选地大于+/- 10 mm。以其它方式，根据图2的实施例对应于根据图1的实施例。
[0069]图3展示具有第一接纳设备I (该第一接纳设备I具有接纳体2〃’)的第三实施例。该接纳体2"’具有用以安置第一衬底3的第一接纳表面20。此外，该第一接纳设备I在此实施例中具有用以接纳体2"’的至少在第一接纳表面2o的区域中，优选整个接纳体2〃’的温度控制(加热和/或冷却)的温度控制构件11。
[0070]在第一程序中第一衬底3是仅在达到经由温度差异引起的其膨胀的后固定于经加热的接纳体2〃’上。以此方式该第一衬底3根据其自身热膨胀系数膨胀。
[0071]在第二程序中第一衬底3是在经由温度控制构件11热负载之前固定于接纳体2〃’上。经由改变温度控制构件11，接纳体2〃’且因此具有第一衬底3固定于其上的第一接纳表面2ο尤其在侧向方向上膨胀。优选地，接纳体2〃’具有基本上与第一衬底3相同的热膨胀系数。以其它方式，第三实施例对应于上文所描述的第一及第二实施例。
[0072]图4展示具有基体9’(该基体9’具有用以安置接纳体2IV的接纳区段18)的第四实施例。此外，该基体9’包括肩部区段19，该肩部区段19邻接于该接纳区段18且使该肩部区段19尤其为圆周的。该肩部区段19是用作致动组件12的止动器，该致动组件12是用于接纳体2IV在侧向方向上的变形。尤其呈复数个牵拉和/或推动组件12的形式的该致动组件12是分布于接纳体2IV的侧向周边上而配置。该致动组件12是用于接纳体2IV在侧向方向上的尤其经由机械膨胀和/或压缩的优选在微米范围中的变形。该接纳体2IV经膨胀和/或压缩大于0.01 μπι,优选大于+/-1 ym,更佳大于+/- 10 μπι,又更佳大于+/-100 μπι,最佳大于+/-1 mm,最优选地大于+/- 10 mm。致动组件12可制造为纯粹机械和/或气动和/或水压和/或压电组件。
[0073]以其它方式，第四实施例对应于上文所描述的第一、第二及第三实施例。在该第四实施例中，尤其重要的是，衬底I与接纳体2IV之间的黏合是如此大使得该衬底I在该接纳体2IV的伸长或压缩期间是同样经由致动组件12相应地伸长或压缩。
[0074]图5展示其中第一接纳设备I与第二接纳设备4垂直对准的第五实施例。该第一接纳设备I具有基体9"及经由该基体9"固定的接纳体2V。该接纳体2V包含第一接纳表面2o,该第一接纳表面2o在此实施例中垂直定位且第一衬底3经由固定组件6固定于该第一接纳表面2o上。
[0075]第二接纳设备4包含相对布置以用于安置及固定接纳体2VI的基体9"’。该接纳体2VI是用于将第二衬底8安置及固定于其垂直配置的接纳表面20’上。为该第二衬底8的变形存在具有呈接针7的形式的致动构件的类似于根据图1的开口 5的开口 5，该致动构件经制造以透过该开口 5使第二衬底8变形，确切地说在背离该第二衬底8的接触表面8k的侧上。当衬底3、8经由第二衬底8的变形而接触时,该接针7界定接合起始位点20。
[0076]除开口 5及接针7以外，在此实施例中根据图5使第一接纳设备I及第二接纳设备4对称。优选地，第一接纳设备也具有对应开口及对应接针使得致能衬底3、8的对称变形。经由在经变形衬底3、8于接合起始位点20 (该接合起始位点20尤其是定位于该衬底
3、8的中心)处接触之后同时释放固定构件6、6’，该衬底3、8表现相同使得即使缺乏重力对在彼此的上的接触表面3k、8k的方向上的变形的影响也没有对准误差在接合波的前进期间发生。此尤其在根据本发明的影响接合波或对准误差，尤其衬底的厚度或衬底的抗弯硬度的因素的主要数目相同时应用。该抗弯硬度是本体抵抗外加于其上的弯曲的阻力。抗弯硬度愈高，为达成相同曲率弯曲矩必须愈大。
[0077]抗弯硬度是独立于弯曲矩的纯粹材料及几何上的特性(假定该弯曲矩并不经由截面中的变化改变惯性矩)。晶圆的穿过其中心的截面是在具有厚度t3及晶圆直径D的非常良好近似矩形中。抗弯硬度是对于均匀截面的弹性模数及平面惯性矩的乘积。围绕相对于厚度垂直的轴的矩形的平面惯性矩将直接与该厚度的三次幂成比例。因此，惯性矩且因此弯曲矩是经由厚度影响。弯曲矩经由重力沿着衬底的作用而发生。对于恒定弯曲矩，因此恒定重力，因此具有较大厚度的衬底归因于其较大弯曲矩而比具有较小厚度的衬底弯曲程度小。
[0078]图6示意性地展示接合过程，其中为图解目的将第一接纳设备I的曲率半径R高度放大展示。该曲率半径是根据本发明的在I英寸至18英寸的范围中的衬底3、8的直径及在I μπι至2000 μπι的范围中的该衬底3、8的厚度处的若干米。
[0079]在使衬底3、8接触于接触表面3k、8k上于接合起始位点20 (该接合起始位点20位于该衬底3、8的中心)的区域中之后及在取消自第二接纳设备4固定(释放)第二衬底8之后，接合开始。具有接合前部13的接合波自接合起始位点20同心地延伸至衬底3、8的侧边缘8s、3s。
[0080]在此情况下接合波移位经由接触表面3k、8k之间的箭头所展示的气体15 (或气体混合物15)。
[0081]衬底3是根据本发明经由接纳设备I变形使得最小化衬底3、8的对应结构14的对准误差。
[0082]衬底8在接合波的行进期间(在接合起始及自接纳设备4释放之后)基于以下作用力变形:气体压力、气体密度、接合波的速度、重量、衬底8的固有频率(弹簧行为)。
[0083]在尤其是对应于根据图1及图2之前两个实施例的所绘示的例示性实施例中，变形经由衬底3、8的曲率发生，其中上部衬底8的曲率半径R (尤其在接合前部13的各时间点)基本上对应于下部衬底3的曲率半径R1。若两个接纳表面2o、2o’其中之一是平坦的且因此同时支撑于平坦接纳表面2ο或20’上的对应衬底3或8的半径是无穷大，则对应相对衬底8或3的半径是设定为相应较大，在边界情况中无穷大。因此，本发明也揭示经由互相趋近的两个衬底3及8 (其曲率半径无穷大，因此其接触表面3k、8k彼此平行)的偏转误差的发明补偿。本发明的特殊情况将主要适于真空环境中以将两个衬底3及8彼此结合，此是因为将不必经由将在其前部中的一定量的气体推出接合接口及自接合中心传播的接合波将两个衬底3及8彼此接合。根据本发明曲率半径Rl及R的差异是尤其小于100m,优选小于10 m,更佳小于I m,最佳小于I cm,最优选地小于I mm。
[0084]可根据本发明想象经由选取气体15或气体混合物15及压力和/或温度及接合速度而控制环境。
[0085]图7a至图7d绘示根据图7a及图7d的呈放大形式的可能对准误差dx，该可能误差dx根据本发明根据图7b及图7c是至少主要经由衬底3、8的变形消除。
[0086]所描述的方法步骤，尤其移动及参数是经由尤其软件支持的控制设备(未展示)予以控制。
[0087]附图标记列表
I第一接纳设备
2、2’、2〃、2〃’、2IV、2V、2VI 接纳体 2o 第一接纳表面 20’ 第二接纳表面 3第一衬底 3k 第一接触表面 3s 侧边缘 4第二接纳设备 5开口
6、6’ 固定构件 7接针 8第二衬底 8k 第二接触表面 8s 侧边缘 9、9’、9〃、9〃’ 基体
10致动组件
11温度控制构件
12致动组件
13接合前部 14、14’结构
15气体/气体混合物
16固定区段17变形区段
18接纳区段
19肩部区段
20接合起始位点dx对准误差dl、d2直径
R、R1曲率半径
【权利要求】
1.一种用以将第一衬底(3)和第二衬底(8)在衬底(33)的接触表面(31810上接合的方法，其具有以下步骤、尤其具有以下流程: -第一接纳设备(1)的第一接纳表面(20)上接纳所述第一衬底(3)且第二接纳设备(4)的第二接纳表面〈20’)上接纳所述第二衬底(8)， -在接合起始位点(20)上接触所述接触表面(31810, -沿着自所述接合起始位点(20)行进至所述衬底(33)的侧边缘(3^88)的接合波将所述第一衬底(3)与所述第二衬底(8)接合， 其特征在于:所述第一衬底(3)和/或所述第二衬底(8)经变形以在所述接合之前和/或在接合期间使所述接触表面(31810在所述接合起始位点(20)外对准。
2.如权利要求1的方法，其中所述第一衬底(3)和/或所述第二衬底(8)的变形取决于对于所述接合波的行进的给定影响因素发生。
3.如前述权利要求其中一项的方法，其中所述接合起始位点(20)布置在所述接触表面(31810的中心。
4.如前述权利要求其中一项的方法，其中所述第一衬底(3)和/或所述第二衬底(8)的变形在所述侧向方向上和/或凸形和/或凹形地实现。
5.如前述权利要求其中一项的方法，其中变形经由所述第一衬底(3)和/或所述第二衬底(8)的膨胀或压缩或弯曲而实现。
6.如前述权利要求其中一项的方法，其中所述衬底(3,8)的直径((1132)彼此偏离小于5臟,尤其是小于3臟，优选地小于1臟。
7.如前述权利要求其中一项的方法，其中所述变形经由机械致动构件和/或经由所述第一和/或第二接纳设备(14)的温度控制而发生。
8.如前述权利要求其中一项的方法，其中将所述第一衬底(3)和/或所述第二衬底(8)仅固定于所述第一和/或第二接纳表面(2^2^)上的所述侧边缘(3^88)的所述区域中。
9.一种用以在所述衬底(33)的接触表面(31810上接合第一衬底(3)与第二衬底(8)的装置，其具有: 用以在第一接纳表面(20)上接纳所述第一衬底(3)的第一接纳设备(1)及用以在第二接纳表面〈20’)上接纳所述第二衬底(8)的第二接纳设备(4)， 用以在接合起始位点(20)上接触所述接触表面(31810的接触构件， 其特征在于:用以使所述第一衬底(3)和/或所述第二衬底(8)变形以在所述接合之前和/或在接合期间使所述接触表面(31810在所述接合起始位点(20)外对准的变形构件。
10.如权利要求9的装置，其中所述变形构件包含可尤其是在所述侧向方向上在所述第一接纳表面(20)上变形和/或可凸形或凹形地变形的所述第一接纳设备(丄)。
11.如权利要求9的装置，其中所述变形构件包含可尤其是在所述侧向方向上在所述第二接纳表面(20,)上变形和/或可凸形或凹形地变形的所述第二接纳设备(4)。
12.如权利要求9至11中至少一项的装置，其中所述变形构件具有机械致动构件和/或用于所述第一和/或第二接纳设备(14)的温度控制的温度控制构件。
13.如权利要求9至12中至少一项的装置，其中用以固定所述第一衬底(3)和/或所述第二衬底(8)的固定构件仅布置在所述第一和/或第二接纳表面(2(^20,)上的侧边缘(38,88)的所述区域中。
【文档编号】H01L21/18GK104364882SQ201380031975
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2013年5月29日 优先权日:2013年5月29日
【发明者】T.瓦根莱特纳, M.温普林格, P.林德纳, T.普拉赫, F.库尔茨 申请人:Ev 集团 E·索尔纳有限责任公司