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公開番号2025016671
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-02-04
出願番号2024192709,2023065906
出願日2024-11-01,2013-05-29
発明の名称基板をボンディングする装置および方法
出願人エーファウ・グループ・エー・タルナー・ゲーエムベーハー
代理人アインゼル・フェリックス=ラインハルト,個人,個人,個人,個人
主分類H01L 21/02 20060101AFI20250128BHJP(基本的電気素子)
要約【課題】改善された基板をボンディングする装置および方法を提供する。
【解決手段】第1の基板(3)を第2の基板(8)と、両基板(3,8)のコンタクト面(3k,8k)のところでボンディングする方法であって、前記第1の基板を、第1のマウント装置(1)に設けられた第1のマウント面(2o)にマウントし、前記第2の基板を、第2のマウント装置(4)に設けられた第2のマウント面(2o´)にマウントするステップと、前記両コンタクト面を所定のボンディング開始個所(20)でコンタクティングするステップと、ボンディング開始個所(20)から前記両基板の側縁部(3s,8s)にまで進行するボンディングウェーブに沿って、前記第1の基板を前記第2の基板とボンディングするステップと、を有する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
第１の基板（３）を第２の基板（８）と、両基板（３，８）のコンタクト面（３ｋ，８ｋ）のところでボンディングする方法であって、以下のステップ、特に以下のシーケンス：
第１の基板（３）を、第１のマウント装置（１）に設けられた第１のマウント面（２ｏ）にマウントし、第２の基板（８）を、第２のマウント装置（４）に設けられた第２のマウント面（２ｏ´）にマウントするステップと、
前記両コンタクト面（３ｋ，８ｋ）を所定のボンディング開始個所（２０）でコンタクティングするステップと、
前記ボンディング開始個所（２０）から両基板（３，８）の側縁部（３ｓ，８ｓ）にまで進行するボンディングウェーブに沿って、第１の基板（３）を第２の基板（８）とボンディングするステップと、
を有する方法において、
第１の基板（３）および／または第２の基板（８）を、前記コンタクト面（３ｋ，８ｋ）の位置合わせのために、前記ボンディング開始個所（２０）外でボンディングの前および／またはボンディングの間、変形させることを特徴とする、基板をボンディングする方法。
続きを表示（約 1,200 文字）【請求項２】
第１の基板（３）および／または第２の基板（８）の変形を、ボンディングウェーブの進行に影響を与える規定の影響付与因子に関連して行う、請求項１記載の方法。
【請求項３】
前記ボンディング開始個所（２０）が、前記コンタクト面（３ｋ，８ｋ）の中央部に配置されている、請求項１または２記載の方法。
【請求項４】
第１の基板（３）および／または第２の基板（８）の変形を、横方向にかつ／または凹面状または凸面状に行う、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。
【請求項５】
前記変形を、第１の基板（３）および／または第２の基板（８）の伸長または圧縮または湾曲によって行う、請求項１から４までのいずれか１項記載の方法。
【請求項６】
前記両基板（３，８）の直径（ｄ１，ｄ２）が、５ｍｍよりも小さい分だけ、特に３ｍｍよりも小さい分だけ、好ましくは１ｍｍよりも小さい分だけ、互いに異なる、請求項１から５までのいずれか１項記載の方法。
【請求項７】
前記変形を、機械的な作動手段により、かつ／または前記第１のマウント装置（１）および／または前記第２のマウント装置（４）の温度制御により、行う、請求項１から６までのいずれか１項記載の方法。
【請求項８】
第１の基板（３）および／または第２の基板（８）を、側縁部（３ｓ，８ｓ）の範囲でのみ、前記第１のマウント面（２ｏ）および／または前記第２のマウント面（２ｏ´）に位置固定する、請求項１から７までのいずれか１項記載の方法。
【請求項９】
第１の基板（３）を第２の基板（８）と、両基板（３，８）のコンタクト面（３ｋ，８ｋ）のところでボンディングする装置であって：
第１の基板（３）を第１のマウント面（２ｏ）にマウントする第１のマウント装置（１）と、第２の基板（８）を第２のマウント面（２ｏ´）にマウントする第２のマウント装置（４）と、
前記両コンタクト面（３ｋ，８ｋ）を所定のボンディング開始個所（２０）でコンタクティングするコンタクト手段と、
を備えた、基板をボンディングする装置において、
第１の基板（３）および／または第２の基板（８）を、前記コンタクト面（３ｋ，８ｋ）の位置合わせのために、前記ボンディング開始個所（２０）外でボンディングの前および／またはボンディングの間、変形させる変形手段が設けられていることを特徴とする、基板をボンディングする装置。
【請求項１０】
前記変形手段が、特に前記第１のマウント面（２ｏ）のところで横方向にかつ／または凸面状または凹面状に変形可能な前記第１のマウント装置（１）を含む、請求項９記載の装置。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１に記載の、第１の基板を第２の基板にボンディングする方法ならびに請求項９に記載の対応する装置に関する。
続きを表示（約 5,200 文字）【０００２】
マイクロエレクトロニクスおよびマイクロシステム技術のほとんど全ての部分における先進的な小型化は、あらゆるテクノロジの絶え間ない更なる開発をもたらし、これらのテクノロジを用いて、基板上のあらゆる種類の機能ユニットの密度を増大させることができる。このような機能ユニットには、たとえばマイクロコントローラ、メモリ構成素子、ＭＥＭＳ、あらゆる種類のセンサまたはマイクロ流体素子が属している。
【０００３】
近年、このような機能ユニットの横方向密度を高めるための技術が著しく改善されている。マイクロエレクトロニクスまたはマイクロシステム技術の幾つかの部分領域においては、それどころか、機能ユニットの横方向密度のこれ以上の増大がもはや不可能となるほどに進んでいる。マイクロチップ製造においては、リソグラフィにより製造されるべき基板のための、最大達成可能な解像度限界が既に達成されているも同然である。すなわち、物理的な制約またはテクノロジ的な制約により、あと僅か数年で、機能ユニットの横方向密度の増大は、もはや完全に不可能となる。当該産業は、この問題に対処すべく、既に数年前より、２.５Ｄテクノロジおよび３Ｄテクノロジの開発に努めている。２.５Ｄテクノロジおよび３Ｄテクノロジを用いると、同じ機能ユニットまたはそれどころか互いに異なる種類の機能ユニットを、互いに対して位置合わせし、上下に積み重ね、互いに永続的に結合し、そして相応する導体路によって互いに配線することが可能になる。
【０００４】
このような構造を実現するためのキーテクノロジの１つは、パーマネントボンディングである。「パーマネントボンディング（永久接合）」とは、基板の分離が、高いエネルギ消費、そしてこれに伴う基板の破壊によってしか可能とならないように基板を互いに結合させることのできる全ての方法を意味する。種々異なる形式のパーマネントボンディングが存在する。
【０００５】
極めて重要なパーマネントボンディング法の１つが、「ダイレクトボンディング」または「分子ボンディング」とも呼ばれる融解ボンディング（Fusionsbonden）である。「融解ボンディング」とは、共有結合の形成を介して行われる２つの基板の永久的な結合の過程を意味する。融解ボンディングは、特に非金属－非有機材料の表面に生じる。
【０００６】
基本的に、プリボンディングと、本来のパーマネントボンディングとは、区別されることが望ましい。「プリボンディング」とは、２つの表面の接触時に自発的に形成される両表面の結合であって、その結合強さが、あとから実施される熱処理により形成されるパーマネントボンディングの結合強さよりも低い結合を意味する。しかし、プリボンディングにより生ぜしめられた結合強さは、両基板の互いに相対的なずれを生ぜしめることなしに両基板を運搬するためには十分となる。すなわち、両基板の間の結合強さは、基板スタック（積重ね体）を問題なく運搬するためには十分であると云えるが、しかしこの結合強さは、特別な装置を用いて両基板の破壊なしの新たな分離が行われ得る程度に低いものである。このことには、以下のような重要な利点がある。すなわち、プリボンディングの後に、両基板の構造体が測定され、かつその相対的な位置、歪みおよび配向が測定され得る。測定過程の間、構造体の誤配向および／またはローカル（局所的）な、かつ／またはグローバル（全域的）な歪みが存在すること、または粒子がインタフェースに存在することが検知されると、基板スタックを再び相応して分離し、かつ新たに処理することができる。プリボンディングが首尾良く行われ、かつ特に不都合がないことが確認された後に、熱処理プロセスによってパーマネントボンディングが形成される。熱処理プロセスの間、熱エネルギの供給によって両基板の表面の結合の化学的および／または物理的な強化が生じる。このパーマネントボンディングは、両基板の破壊なしの分離がもはや不可能となるという意味では不可逆的である。以下においては、もはやプリボンディングとパーマネントボンディングとを明確に区別せず、一般的に「ボンディング」とのみ表現する。
【０００７】
極めて汎用されている融解ボンディングは、シリコンおよび酸化ケイ素基板において実施される。シリコンはその半導体特性に基づき、しばしばマイクロエレクトロニクス構成素子、たとえばマイクロチップおよびメモリを製造するための基礎材料として使用される。高研磨された金属表面の間にも、「ダイレクトボンディング」が生じ得る。基礎を成す結合特性は、たしかに融解ボンディングの結合特性とは異なるが、しかし両表面を、進行するボンディングウェーブ（Bondwelle）によって互いにコンタクティングするメカニズムは、同じ物理学的特性により説明され得る。また、２つのハイブリッド面を「ハイブリッドボンディング」により結合することも考えられる。「ハイブリッド面」とは、互いに異なる２種の材料から成る表面を意味する。両材料のうち、第１の材料はたいてい小さな空間に制限されており、それに対して、第２の材料は第１の材料を取り囲んでいる。たとえば、金属コンタクトが誘電体によって取り囲まれる。２つのハイブリッド表面のボンディングによりハイブリッドボンディングが形成される場合、ボンディングウェーブは、とりわけ誘電体の間での融解ボンディングによって駆動され、金属コンタクトはボンディングウェーブによって自動的に合致する。誘電体およびｌｏｗ-ｋ材料（低誘電率材料）の例は、
● 以下の成分を主体とした非シリコン
○ ポリマ
ポリイミド
芳香族ポリマ
パリレン
ＰＴＦＲ
○ 芳香族炭素
● 以下の成分を主体としたシリコン
○ 以下の成分を主体としたケイ酸塩
ＴＥＯＳ（オルトケイ酸テトラエチル）
ＳｉＯＦ
ＳｉＯＣＨ
ガラス（ホウケイ酸塩ガラス、アルミノケイ酸塩ガラス、ケイ酸鉛ガラス、アルカリケイ酸塩ガラス等）
○ 一般
Ｓｉ
３
Ｎ
４
ＳｉＣ
ＳｉＣ
２
ＳｉＣＮ
○ シルセスキオキサン
ＨＳＳＱ
ＭＳＳＱ
２つの基板をパーマネント結合する際の極めて大きな技術的問題のうちの１つが、個々の基板の間の機能ユニットの位置合わせ精度である。基板は位置合わせ設備によって互いに対して極めて正確に位置合わせされ得るが、しかしボンディング過程自体の間に、基板の歪みが生じる恐れがある。こうして生じた歪みにより、機能ユニットは必ずしも全ての位置において互いに対して適正に位置合わせされているとは限らない。基板の特定の点における位置合わせ不精度は、歪み、スケーリング誤差、レンズ欠陥（拡大誤差もしくは縮小誤差）等の結果となり得る。半導体産業においては、このような問題にかかわるテーマ領域は全て「オーバレイ（重ね合わせ）」という概念に包含される。このテーマに関する相応する概論は、たとえばＭａｃｋ，Ｃｈｒｉｓ著の「ＦｕｎｄａｍｅｎｔａｌＰｒｉｎｃｉｐｌｅｓｏｆＯｐｔｉｃａｌＬｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ－ＴｈｅＳｃｉｅｎｃｅｏｆＭｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ」（出版社ＷＩＬＥＹ、２００７年，再版２０１２年）に記載されている。
【０００８】
各機能ユニットは、実際の製造プロセスの前にコンピュータでデザインされる。たとえば、導体路、マイクロチップ、ＭＥＭＳ、またはマイクロシステム技術を用いて製造可能なあらゆる別の構造体も、ＣＡＤ（computer aided design）プログラムにおいてデザインされる。しかし、機能ユニットの製造時には、コンピュータにおいて構築された理想的な機能ユニットと、クリーンルーム内で製造された実際の機能ユニットとの間に必ず、ずれが存在することが判っている。相違点は、主としてハードウェアの制限、すなわちテクニカルエンジニアリング的な問題に帰因し得るが、しかし、しばしば物理的な限界にも帰因し得る。すなわち、フォトリソグラフィプロセスにより製造される構造体の解像精度は、フォトマスクのアパーチュアの大きさや、使用される光線の波長により制限される。マスク歪みは直接にフォトレジストに転写される。機械のリニアモータは、規定された許容誤差内で再現可能となる位置にしか到達し得ない。したがって、基板の機能ユニットが、コンピュータにおいて構築された構造体に正確に等しくなり得ないことは不思議ではない。したがって、全ての基板は、既にボンディングプロセスの前に、理想状態からの無視し得ないずれを有しているわけである。２つの基板の、互いに向かい合って位置している２つの機能ユニットの位置および／または形状を、両基板のいずれも結合過程によって歪められないと仮定して比較してみると、一般に既に、両機能ユニットの完全ではない整合が存在していることが判る。なぜならば、これらの機能ユニットは、上で説明した誤差により、理想的なコンピュータモデルから偏倚しているからである。極めて頻度の高い誤差は、図８（http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Overlaytypical model terms DE.svg. 24.05.2013およびMack, Chris. Fundamental Principles of Optical Lithography- the Science of Microfabrication. Chichester: WILEY, p.312, 2007, Reprint 2012からの写し）に図示されている。図面に示したように、オーバレイ（重ね合わせ）誤差は、大ざっぱには、グローバルなオーバレイ誤差とローカルなオーバレイ誤差、もしくは対称的なオーバレイ誤差と非対称的なオーバレイ誤差とに区別され得る。グローバルなオーバレイ誤差は均一であり、したがって場所とは無関係である。グローバルなオーバレイ誤差は、互いに向かい合って位置する２つの機能ユニットの間に、位置とは無関係に、同じ偏差を生ぜしめる。クラシカルなグローバルなオーバレイ誤差は、両基板の互いに相対的な並進もしくは回転により生じる誤差Ｉ.およびＩＩ.である。両基板の並進もしくは回転は、それぞれ互いに向かい合って位置する全ての機能ユニットに関する、基板上での相応する並進的もしくは回転的な誤差を発生させる。ローカルなオーバレイ誤差は、場所に関連して発生し、主として弾性問題および／または塑性問題により発生し、この場合には特に、連続的に伝播するボンディングウェーブにより生ぜしめられる弾性問題および／または塑性問題により発生する。図示のオーバレイ誤差のうち、とりわけ誤差ＩＩＩ.およびＩＶ.は「ランアウト（run-out）」誤差と呼ばれる。このランアウト誤差は、特にボンディング過程中での少なくとも１つの基板の歪みにより生じる。少なくとも１つの基板の歪みにより、第１の基板の機能ユニットも、第２の基板の機能ユニットに関して歪められる。しかし、誤差Ｉ.およびＩＩ.は、同じくボンディングプロセスによって生じ得るが、しかしたいてい誤差ＩＩＩ.およびＩＶ.によって著しく重畳されるので、誤差Ｉ.およびＩＩ.は、極めて検知困難となるか、もしくは測定困難となる。
【０００９】
公知先行技術においては、既に、ローカルな歪みを少なくとも部分的に減少させることのできる設備が存在している。このことは、アクティブな制御エレメントの使用によるローカルな歪み補正である（国際公開第２０１２／０８３９７８号）。
【００１０】
公知先行技術においては、ランアウト誤差を補正するための第１の解決手段が存在する。米国特許出願公開第２０１２００７７３２９号明細書には、下側の基板を位置固定しないことにより、ボンディングの間およびボンディングの後に２つの基板の機能ユニットの間の所望の位置合わせ精度を得るための方法が記載されている。これにより、下側の基板は境界条件下に置かれておらず、ボンディング過程の間、上側の基板に自由にボンディングされ得る。公知先行技術における重要な特徴は、とりわけ、たいていは真空装置を用いて１つの基板をフラットに位置固定することである。
（【００１１】以降は省略されています）

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