JP7014850B2 - Board holders and methods for bonding two boards - Google Patents
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Description
本発明は、基板ホルダと、このような基板ホルダを有する装置と、このような基板ホルダの使用と、2つの基板をボンディングするための方法と、このような方法によって製造された製品、とりわけ基板積層体と、このような方法のためのこのような基板ホルダの使用とに関する。 The present invention relates to a substrate holder, a device having such a substrate holder, the use of such a substrate holder, a method for bonding two substrates, and a product manufactured by such a method, particularly a substrate. With respect to the laminate and the use of such a substrate holder for such a method.
半導体産業では、複数の基板、とりわけウェーハが、種々異なる方法によって互いにアライメントされ、互いに結合される。結合のプロセスはボンディングと呼ばれる。最適な結果を得るために、結合させるべき材料に応じて異なるボンディング技術を使用する必要がある。 In the semiconductor industry, multiple substrates, especially wafers, are aligned and coupled to each other in a variety of different ways. The bonding process is called bonding. Different bonding techniques need to be used depending on the material to be bonded for optimal results.
さて、近年では、室温でのボンディング技術もますます定着してきているが、金属は、例えば高温かつ高圧での拡散プロセスによって互いに結合される。 Now, in recent years, bonding technology at room temperature has become more and more established, but metals are bonded to each other, for example, by a diffusion process at high temperature and high pressure.
好ましくは共有結合を形成する原子を有する表面を備えた基板同士は、接着力によって互いに直接的に結合される。しかしながら接着力は、始めは単なるファンデルワールス結合に過ぎないので、表面間における最大の結合強度を呈さない。適切なプロセス、特に熱処理によって、このようなファンデルワールス結合を共有結合に変換することができる。共有結合の形成による2つの表面の結合が実施されるボンディングプロセスは、ヒュージョン(融着)ボンディングプロセスと呼ばれる。近年では、このようなボンディングを改善するために、特に接触面積を最大化することが決定的に寄与するということがますます明らかになってきている。このことから、このような表面を室温でも、とりわけ熱処理なしでも、または非常にわずかな温度上昇のみでも互いに結合させるための全く新しい可能性がもたらされた。最近の測定結果は、このような最適化によって、互いに結合される材料の理論的な強度にほぼ相当する結合強度が達成され得ることを示している。 Substrates with surfaces having atoms that preferably form covalent bonds are directly bonded to each other by adhesive forces. However, the adhesive force does not exhibit the maximum bond strength between the surfaces because it is initially just a van der Waals bond. Appropriate processes, especially heat treatment, can convert such van der Waals bonds into covalent bonds. A bonding process in which two surfaces are bonded by forming a covalent bond is called a fusion bonding process. In recent years, it has become increasingly clear that maximizing the contact area, in particular, makes a decisive contribution to improving such bonding. This opens up entirely new possibilities for bonding such surfaces to each other at room temperature, especially without heat treatment, or even with very slight temperature increases. Recent measurements show that such optimizations can achieve bond strengths that are approximately equivalent to the theoretical strength of the materials bonded to each other.
ヒュージョンボンディングの場合には特に、両基板のいずれも、アライメントの前および/または間および/または後にとりわけ熱的負荷によって制御不能に歪まないように注意しなければならない。歪みは、基板の拡大または縮小を引き起こし、ひいては基板の、互いに位置合わせすべきマーク、特にチップの変位および/または誤配向を引き起こす。この変位および/または誤配向は、一般的に中心から縁部に向かって増大する。これによって生じる誤差は、従来技術では、しかもとりわけ半導体産業では、ランアウト(run-out)という名称で知られている。この誤差を補償することはランアウト補償と呼ばれる。この誤差は、以下により詳細に説明される。 Care must be taken to ensure that neither of the substrates is uncontrollably distorted before and / or between and / or after alignment, especially due to thermal loading, especially in the case of fusion bonding. Distortion causes expansion or contraction of the substrate, which in turn causes displacement and / or misalignment of the substrate's marks to be aligned with each other, especially the chips. This displacement and / or misalignment generally increases from the center to the edges. The error caused by this is known in the prior art, and especially in the semiconductor industry, by the name run-out. Compensating for this error is called runout compensation. This error is described in more detail below.
2つの基板をパーマネントボンディング(永久接合)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アライメント(位置合わせ)精度である。基板はアライメント設備によって互いに対して極めて正確にアライメントされ得るが、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おそれがある。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アライメントされているとは限らない。基板の特定の点におけるアライメントの不正確性は、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、例えばMack, Chris著の『Fundamental Principles of Optical Lithography - The Science of Microfabrication』(出版社WILEY、2007年,再版2012年)に記載されている。 One of the most significant technical issues in permanent bonding of two boards is the alignment accuracy of the functional units between the individual boards. The boards can be aligned very accurately with each other by the alignment equipment, but distortion of the boards can occur during the bonding process itself. Due to the distortion thus generated, the functional units are not always properly aligned with each other in all positions. Alignment inaccuracies at specific points on the substrate can result in distortion, scaling errors, lens defects (magnification or reduction errors), and the like. In the semiconductor industry, all thematic areas related to such problems are included in the concept of "overlay". A corresponding introduction to this subject can be found, for example, in Mack, Chris's "Fundamental Principles of Optical Lithography-The Science of Microfabrication" (publisher WILEY, 2007, reprint 2012).
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。例えば、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中には、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起因し得るが、しかし、しばしば物理的な限界にも起因し得る。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。 Each functional unit is computer designed prior to the actual manufacturing process. For example, conductor paths, microchips, MEMS, or any other structure that can be manufactured using microcontroller system technology is also designed in a CAD (computer aided design) program. However, during the manufacture of functional units, it has been found that there is always a discrepancy between an ideal functional unit built in a computer and an actual functional unit built in a clean room. Differences can be primarily due to hardware limitations, that is, technical engineering issues, but often due to physical limitations as well. That is, the resolution accuracy of the structure manufactured by the photolithography process is limited by the size of the aperture of the photomask and the wavelength of the light beam used. Mask strain is transferred directly to the photoresist. Mechanical linear motors can only reach reproducible positions within specified tolerances. Therefore, it is no wonder that the functional units of the board cannot be exactly equal to the structures constructed in the computer. Therefore, all substrates already have a negligible one from the ideal state before the bonding process.
2つの基板の、互いに向かい合って位置する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:Overlay_typical_model_terms_DE.svg, 24.05.2013およびMack, Chris著の『Fundamental Principles of Optical Lithography- The Science of Microfabrication. Chichester』(出版社WILEY、第312頁、2007年、再版2012年)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、全体的なオーバレイ誤差と局所的なオーバレイ誤差、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。全体的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。全体的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。典型的な全体的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。局所的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、特に誤差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、しかし大抵は誤差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。 Comparing the positions and / or shapes of the two functional units of the two boards facing each other, assuming that neither of the two boards is distorted by the coupling process, generally already in both functional units. It turns out that there is an incomplete match. This is because these functional units deviate from the ideal computer model due to the errors described above. The most frequent errors are in Figure 8 (http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Overlay_typical_model_terms_DE.svg, 24.05.2013 and Mack, Chris's Fundamental Principles of Optical Lithography-The Science of Microfabrication. Chichester. (Publisher WILEY, p. 312, 2007, reprint 2012). As shown in the drawings, overlay error can be roughly divided into overall overlay error and local overlay error, or symmetric overlay error and asymmetric overlay error. The overall overlay error is uniform and therefore location independent. The overall overlay error produces the same deviation between two functional units located facing each other, regardless of position. Typical overall overlay errors are the errors I. and II. Due to the translation or rotation of both substrates relative to each other. Translation or rotation of both boards causes a corresponding translational or rotational error on the boards for all functional units located facing each other. Local overlay errors are location-related and are primarily caused by elastic and / or plasticity problems, especially elastic and / or plasticity caused by continuously propagating bonding waves. Caused by a problem. Of the overlay errors shown, errors III. And IV. In particular are referred to as "run-out" errors. This "runout" error is caused by distortion of at least one substrate, especially during the bonding process. Due to the distortion of at least one substrate, the functional unit of the first substrate is also distorted with respect to the functional unit of the second substrate. However, the errors I. and II. Can also be caused by the bonding process, but are usually significantly superimposed by the errors III and IV. Therefore, the errors I. and II. Are either extremely difficult to detect or become extremely difficult to detect. It becomes difficult to measure.
2つの基板を接近させる際の最大の問題は、周囲環境が一般的に、基板との熱力学的な均衡状態にはないということにある。全ての熱力学的な示強変数、特別なケースではとりわけ温度が、考慮すべき全てのサブシステムに対して等しい場合には、熱力学的な均衡が常に存在する。多くの場合、一方の基板、とりわけ下側の基板ホルダに固定される方の基板は、比較的高い温度を有する。 The biggest problem with bringing two substrates close together is that the ambient environment is generally not in a thermodynamic equilibrium with the substrate. A thermodynamic equilibrium always exists when all thermodynamic intensive variables, especially temperature, are equal for all subsystems to be considered. In many cases, one substrate, especially the one anchored to the lower substrate holder, has a relatively high temperature.
多くの場合、既に説明した基板のランアウト誤差を制御された状態で補償するために、下側の基板に関して、上側の基板の温度よりも高い別の温度を設定することが望ましいか、またはそれどころかそのようにすることが企図される。この場合、下側の基板を相応に温度調節すること、とりわけ加熱または冷却することが必要となり得る。 In many cases, it is desirable or even desirable to set a different temperature for the lower board, which is higher than the temperature of the upper board, in order to compensate for the previously described board runout error in a controlled manner. It is intended to do so. In this case, it may be necessary to control the temperature of the lower substrate accordingly, especially heating or cooling.
ここで、本発明による基板ホルダ上に位置固定された第1の上側の基板を第2の下側の基板に接近させると、第2の下側の基板と、とりわけまた下側の基板ホルダ全体とが、上側の第1の基板を加熱し、熱膨張させ、特に非常に複雑な加熱分布に供する。この加熱分布は、温度・時間曲線によって求められる。この場合、第1の基板と第2の基板との間のわずかな温度差でさえも、上側の第1の基板の顕著な歪みを引き起こし得るか、または複雑な温度推移にしたがって上側の第1の基板を加熱することとなり得る。上側の基板の温度は、両基板の間の間隔が増加するにつれて上昇し、短時間、飽和領域において一定のままであり、その後、さらなるプロセスによってとりわけ指数関数的に減少し、その後は、境界条件が変化しなければ一定のままである。従来技術は特に、温度が時間の関数として変化する温度領域において基板同士が互いに結合されるという問題を有する。つまり、ボンディングウェーブは、それぞれ異なる時間に、または換言すればそれぞれ異なる位置においてそれぞれ異なる温度に曝され、これによって上で説明されたランアウト誤差を生成する。 Here, when the first upper substrate fixed in position on the substrate holder according to the present invention is brought closer to the second lower substrate, the second lower substrate and, in particular, the entire lower substrate holder as a whole. The first substrate on the upper side is heated and thermally expanded to be subjected to a particularly complicated heating distribution. This heating distribution is obtained by the temperature / time curve. In this case, even the slightest temperature difference between the first and second substrates can cause significant distortion of the upper first substrate, or according to complex temperature transitions, the upper first. Can heat the substrate. The temperature of the upper substrate rises as the distance between the two substrates increases and remains constant in the saturation region for a short period of time, then decreases exponentially, especially with further processes, and then the boundary conditions. If does not change, it remains constant. The prior art has in particular the problem that the substrates are coupled to each other in a temperature region where the temperature changes as a function of time. That is, the bonding waves are exposed to different temperatures at different times, or in other words, at different positions, thereby producing the runout error described above.
したがって、本発明の課題は、従来技術の欠点を克服して、とりわけランアウト誤差を補償することができ、とりわけ完全に回避することができる、改善された基板ホルダおよび改善された方法を提供することである。 Therefore, a task of the present invention is to provide an improved substrate holder and an improved method that can overcome the shortcomings of the prior art and, in particular, compensate for runout errors and, in particular, completely avoid them. Is.
上記の課題は、それぞれ独立請求項に記載されている本発明による基板ホルダ、本発明による装置、本発明による使用、本発明による方法、および本発明による製品、ならびに本発明による使用によって解決される。 The above problems are solved by the substrate holder according to the present invention, the apparatus according to the present invention, the use according to the present invention, the method according to the present invention, and the product according to the present invention, and the use according to the present invention, respectively, as described in the independent claims. ..
本発明の有利な発展形態は、従属請求項に記載されている。明細書、特許請求の範囲、および/または図面に記載されている少なくとも2つの特徴からなる全ての組み合わせも、本発明の枠内にある。記載された値範囲では、挙げられた範囲内にある値自体も、限界値として開示されたものとみなされ、かつ任意の組み合わせの形で請求可能であるべきである。 An advantageous development of the invention is described in the dependent claims. All combinations of at least two features described in the specification, claims, and / or drawings are also within the framework of the present invention. Within the stated range of values, the values themselves within the listed range should also be considered disclosed as limit values and can be claimed in any combination.
本発明の核心部分は、位置固定された、とりわけ上側の基板(以下では第1の基板とも呼ばれる)を所期のように調整することができるようにするために、吸収されたあらゆる熱が制御された状態でとりわけ基板ホルダの裏側に放出され、そこで熱交換器を介して排出されるように、本発明による基板ホルダ、とりわけ上側の基板ホルダ(以下では第1の基板ホルダとも呼ばれる)を構成することにある。 The core of the invention is controlled by any heat absorbed so that the fixed, especially upper substrate (also referred to below as the first substrate) can be adjusted as desired. The substrate holder according to the present invention, particularly the upper substrate holder (hereinafter, also referred to as the first substrate holder) is configured so that the substrate holder is discharged to the back side of the substrate holder in the state of being discharged, and is discharged through the heat exchanger there. To do.
本発明のさらなる重要な特徴は、温度差ΔTを本発明に基づいて所期のように調整することができるようにするために、本装置の熱抵抗を所期のように最適化することである。 A further important feature of the present invention is to optimize the thermal resistance of the device as expected so that the temperature difference ΔT can be adjusted as expected based on the present invention. be.
とりわけ本発明の重要な特徴は、熱抵抗の適切な選択によって下側の基板と上側の基板との間に所期の温度差ΔTを調整することである。この温度差ΔTは、一般的に時間の関数、または両基板の間の間隔の関数である。しかしながら本発明によれば、下側の基板の温度飽和の温度領域における温度差ΔTが主として重要であり、本明細書の以下の記載では、この温度領域にはdが付されている。この温度領域dでは、温度差ΔTを一定に維持することが求められる。温度差ΔTを所期のように調整および維持することによって、不利な「ランアウト」誤差を低減することができるか、またはそれどころか完全に排除することさえ可能となる。 In particular, an important feature of the present invention is to adjust the desired temperature difference ΔT between the lower substrate and the upper substrate by appropriate selection of thermal resistance. This temperature difference ΔT is generally a function of time or a function of the spacing between the two substrates. However, according to the present invention, the temperature difference ΔT in the temperature region of temperature saturation of the lower substrate is mainly important, and in the following description of the present specification, d is added to this temperature region. In this temperature region d, it is required to keep the temperature difference ΔT constant. By adjusting and maintaining the temperature difference ΔT as desired, the adverse “runout” error can be reduced or even eliminated altogether.
とりわけ温度飽和領域dにおける温度差ΔTは、一般的に、(i)熱抵抗によって、および/または(ii)とりわけ下側の基板ホルダ内の加熱装置の加熱要素によって、および/または(iii)冷却要素、特に冷却流体によって、所期のように調整される。 The temperature difference ΔT, especially in the temperature saturation region d, is generally (i) by thermal resistance and / or (ii) especially by the heating element of the heating device in the lower substrate holder and / or (iii) cooling. It is adjusted as expected by the elements, especially the cooling fluid.
本発明によれば、本基板ホルダは、基板を保持するための位置固定表面を有し、前記基板ホルダは、前記位置固定表面から熱を排出するための、好ましくはおよび/または前記位置固定表面に熱を供給するための熱伝導体を有する。 According to the present invention, the substrate holder has a position-fixing surface for holding the substrate, and the substrate holder is preferably and / or the position-fixing surface for exhausting heat from the position-fixing surface. Has a heat conductor to supply heat to the.
本発明のさらなる対象は、第1の基板を第2の基板にボンディングするための装置において、前記装置は、両前記基板のうちの少なくとも一方を保持するための先行する実施形態のいずれか1つによる少なくとも1つの基板ホルダを有する、装置に関する。これに関して、とりわけ基板ホルダに関する説明が参照される。 A further object of the present invention is an apparatus for bonding a first substrate to a second substrate, wherein the apparatus is one of the preceding embodiments for holding at least one of both the substrates. With respect to an apparatus having at least one substrate holder according to. In this regard, the description of the substrate holder in particular is referred to.
本発明のさらなる対象は、上側の基板ホルダとしての、本発明による基板ホルダの使用に関する。 A further object of the present invention relates to the use of the substrate holder according to the present invention as the upper substrate holder.
本発明の、とりわけ独立したさらなる対象は、第1の基板を第2の基板にボンディングするための方法であって、第1のステップにおいて、前記基板同士を互いに接近させ、これによって前記第1の基板の温度が上昇し、第2のステップにおいて、前記基板同士の接近を停止し、前記基板同士の間の間隔を一定に維持し、当該間隔が一定の場合に、少なくとも所定の期間にわたって前記第1の基板の一定の温度が生じるようにし、第3のステップにおいて、前記第1の基板が一定の温度である前記期間内に、両前記基板を少なくとも一時的に互いにボンディングする、方法に関する。 A particularly independent further object of the present invention is a method for bonding a first substrate to a second substrate, wherein in the first step the substrates are brought into close proximity to each other, thereby the first. When the temperature of the substrates rises, the approach between the substrates is stopped in the second step, the distance between the substrates is kept constant, and when the distance is constant, the first step is performed for at least a predetermined period of time. The present invention relates to a method in which a constant temperature of a substrate is generated, and in a third step, both the substrates are bonded to each other at least temporarily within the period in which the first substrate is at a constant temperature.
このような状況は、十分に定義された温度領域dでは両基板の間の温度差ΔTが一定であると説明することもできる。さらには、熱抵抗を正しく選択することによって、温度差ΔTの大きさを調整することができる。 Such a situation can also be explained as the temperature difference ΔT between the two substrates is constant in the well-defined temperature region d. Furthermore, the magnitude of the temperature difference ΔT can be adjusted by correctly selecting the thermal resistance.
本発明のさらなる対象は、第1の基板および第2の基板を有する製品、とりわけ基板積層体において、前記基板同士が、本発明による方法によって互いにボンディングされている、製品に関する。 A further object of the present invention relates to a product having a first substrate and a second substrate, particularly a product in which the substrates are bonded to each other by the method according to the present invention in a substrate laminate.
本発明のさらなる対象は、このような方法の実施中における、基板を保持するためのこのような基板ホルダの使用に関する。 A further object of the invention relates to the use of such a substrate holder to hold the substrate during the implementation of such a method.
一般的に、基板ホルダ、とりわけ上側の基板ホルダを、周囲温度にできるだけ良好に熱的結合させるべきである。このことによって熱の供給および/または排出をもたらすことができる。両基板を接近させることによってとりわけ上側の基板は、下側の基板または下側の基板ホルダによって加熱される。とりわけ上側の基板ホルダの熱質量が大きく、またこの基板ホルダの熱伝導率ができるだけ高くなっていることにより、熱はとりわけこの上側の基板から排出される。そこで、本発明による基板ホルダは、下側の基板または下側の基板ホルダに接近する際における基板ホルダの温度分布と、とりわけまた上側の基板の温度分布とが、所期のように調整され得るように構成されている。 In general, the substrate holder, especially the upper substrate holder, should be thermally coupled to the ambient temperature as well as possible. This can result in heat supply and / or exhaust. By bringing the two substrates closer together, the upper substrate in particular is heated by the lower substrate or the lower substrate holder. In particular, the heat mass of the upper substrate holder is large, and the thermal conductivity of the substrate holder is as high as possible, so that heat is particularly discharged from the upper substrate. Therefore, in the substrate holder according to the present invention, the temperature distribution of the substrate holder when approaching the lower substrate or the lower substrate holder, and particularly the temperature distribution of the upper substrate can be adjusted as expected. It is configured as follows.
この場合、本発明による基板ホルダの熱抵抗は、熱伝導体の、ひいては上側の基板の、冷却流体への温度適応ができるだけ迅速かつ効率的に行われるように設計されている。したがって、熱抵抗は好ましくは最小化されている。冷却流体は、好ましくは周囲雰囲気である。したがって、冷却流体の温度は、好ましくは室温である。 In this case, the thermal resistance of the substrate holder according to the present invention is designed so that the temperature adaptation of the thermal conductor, and thus the upper substrate, to the cooling fluid is performed as quickly and efficiently as possible. Therefore, thermal resistance is preferably minimized. The cooling fluid is preferably an ambient atmosphere. Therefore, the temperature of the cooling fluid is preferably room temperature.
とりわけ上側の基板ホルダまたはとりわけ上側の基板における温度・時間曲線を把握することにより、とりわけボンディングのために最適であると同時にスループットが増加する時点を特定することが可能となる。これに対応するプロセスまたは方法もまた、本発明の重要な、とりわけ独立した発明性のある特徴である。 By grasping the temperature / time curve, especially in the upper substrate holder or in particular the upper substrate, it is possible to identify the time point at which the throughput increases at the same time, which is most suitable for bonding. The corresponding process or method is also an important, especially independent, inventive feature of the invention.
本明細書に開示されている全ての温度分布は、基板ホルダ上の基板の温度分布、または基板ホルダの温度分布とみなすことができる。基板と基板ホルダとの熱的結合は、温度のずれが無視できるほど効率的であることが好ましい。実際には、下側の基板ホルダの加熱時における下側の基板の温度は、下側の基板ホルダの温度よりもわずかに低い可能性がある。上側の基板の温度は、一般的に、本発明による上側の基板ホルダの温度よりもわずかに高い。このわずかな温度差は、基板ホルダと基板との間のそれぞれの熱抵抗がゼロではないことに関係している。 All temperature distributions disclosed herein can be regarded as the temperature distribution of the substrate on the substrate holder, or the temperature distribution of the substrate holder. The thermal coupling between the substrate and the substrate holder is preferably so efficient that the temperature shift is negligible. In practice, the temperature of the lower substrate when the lower substrate holder is heated may be slightly lower than the temperature of the lower substrate holder. The temperature of the upper substrate is generally slightly higher than the temperature of the upper substrate holder according to the present invention. This slight temperature difference is related to the non-zero thermal resistance between the substrate holder and the substrate.
以下では試料ホルダとも呼ばれる本発明による基板ホルダによれば、既に上で説明したように発生したあらゆる熱が制御された状態で裏側に放出され、そこで熱交換器を介して変換され、本発明による基板ホルダから排出される。さらには、とりわけ上側の基板ホルダの大きな熱質量は、とりわけ上側の基板の温度安定化をもたらし、これによって付近の周囲環境の熱変動ができるだけ最小化される。本発明によるさらなる重要な特徴は、比較的大きな熱質量によって、ボンディング過程の間における上側の基板の温度、または下側の基板と上側の基板との間の温度差ΔTが安定化されることである。 According to the substrate holder according to the invention, which is also referred to below as a sample holder, any heat generated as described above is controlled and released to the back side, where it is converted via a heat exchanger, according to the present invention. It is discharged from the board holder. Furthermore, the large thermal mass of the upper substrate holder in particular results in temperature stabilization of the upper substrate in particular, thereby minimizing thermal fluctuations in the surrounding ambient environment. A further important feature of the present invention is that the relatively large thermal mass stabilizes the temperature of the upper substrate or the temperature difference ΔT between the lower substrate and the upper substrate during the bonding process. be.
さらには、本発明による基板ホルダを通過する熱輸送を把握することにより、とりわけ上側の基板ホルダまたは上側の基板に関する温度・時間線図を特定することが可能となり、また、本発明による基板ホルダのパラメータを変化させることにより、この線図を変化させることが可能となる。 Furthermore, by grasping the heat transport passing through the substrate holder according to the present invention, it is possible to specify the temperature / time diagram particularly regarding the upper substrate holder or the upper substrate, and the substrate holder according to the present invention. By changing the parameters, it is possible to change this diagram.
本発明による基板ホルダは、上側および/または下側の基板ホルダとして使用することができる。本発明による基板ホルダは、とりわけ上側の基板ホルダとして構成されており、したがって、その上に位置固定される上側の第1の基板は、とりわけ全面的に位置固定されない限り、重力の方向に変形される。 The substrate holder according to the present invention can be used as an upper and / or lower substrate holder. The substrate holder according to the present invention is configured as an upper substrate holder in particular, so that the upper first substrate positioned on it is deformed in the direction of gravity unless it is particularly entirely positioned. To.
以下では、表面の粗さに関して何度も言及される。粗さは、本明細書においては算術平均粗さ、二乗粗さ、または平均粗さ深さのいずれかとして表される。算術平均粗さの算出値、二乗粗さの算出値、および平均粗さ深さの算出値は、一般的に、測定経路または測定面が同一でもそれぞれ異なっているが、同じ桁数範囲内にある。したがって、粗さに関する以下の数値範囲は、算術平均粗さ、二乗粗さ、または平均粗さ深さのいずれかの値であるとして理解すべきである。 In the following, the surface roughness will be mentioned many times. Roughness is expressed herein as either arithmetic mean roughness, squared roughness, or average roughness depth. Arithmetic Mean Roughness Calculations, Square Roughness Calculations, and Average Roughness Depth Calculations are generally different for the same measurement path or surface, but within the same digit range. be. Therefore, the following numerical range for roughness should be understood as one of the values of arithmetic mean roughness, squared roughness, or average roughness depth.
本発明による基板ホルダは、とりわけ上側の第1の基板を加熱および/または冷却することができる。熱は、熱伝導体を介してとりわけ上側の第1の基板から排出され、好ましくは冷却流体に伝導される。この場合には、熱伝導体は冷却体である。しかしながら、流体が、熱伝導体に熱を排出して上側の第1の基板を加熱する加熱流体であることも考えられる。この場合には、熱伝導体は加熱体である。 The substrate holder according to the invention can heat and / or cool, among other things, the upper first substrate. The heat is discharged through the heat conductor, especially from the upper first substrate, and is preferably conducted to the cooling fluid. In this case, the heat conductor is a cooling body. However, it is also conceivable that the fluid is a heating fluid that discharges heat to the heat conductor to heat the upper first substrate. In this case, the heat conductor is a heated body.
冷却流体は、好ましくは周囲雰囲気である。冷却流体の温度は、好ましくは室温である。 The cooling fluid is preferably an ambient atmosphere. The temperature of the cooling fluid is preferably room temperature.
好ましい実施形態では、前記熱伝導体は、とりわけ前記熱伝導体の、前記位置固定表面とは反対の側(以下では裏側とも呼ばれる)に、前記熱を排出および/または供給するためのリブを有する。これらのリブは、とりわけ熱伝導体の裏側全体に配置することができ、これによって熱交換を改善することが可能となる。 In a preferred embodiment, the heat conductor has ribs for discharging and / or supplying the heat, particularly on the side of the heat conductor opposite to the position-fixed surface (hereinafter also referred to as the back side). .. These ribs can be placed, among other things, over the entire backside of the heat conductor, which makes it possible to improve heat exchange.
熱は、リブを介して比較的大きな表面、すなわちいわゆるリブ表面に沿って分散させることができる。リブは、とりわけ位置固定表面に対して垂直に配置することができる。リブは、好ましくは互いに平行に配置されている。冷却体として機能する熱伝導体が使用される場合には、冷却リブである。加熱体として機能する熱伝導体が使用される場合には、リブを、加熱リブと呼ぶこともでき、これらの加熱リブは、熱を流体から熱伝導体に最適に伝導する。これから、以下の記載においてリブについて説明する。明示的な言及がない限り、以下の記載では主として、熱伝導体は冷却体とみなされ、リブは冷却リブとみなされ、流体は冷却流体とみなされる。 Heat can be distributed through the ribs along a relatively large surface, the so-called rib surface. The ribs can be placed, among other things, perpendicular to the fixed surface. The ribs are preferably arranged parallel to each other. If a thermal conductor that functions as a cooling body is used, it is a cooling rib. When a heat conductor that functions as a heating body is used, the ribs can also be referred to as heating ribs, and these heating ribs optimally conduct heat from the fluid to the heat conductor. Hereinafter, the rib will be described in the following description. Unless explicitly stated, heat conductors are primarily considered cooling bodies, ribs are considered cooling ribs, and fluids are considered cooling fluids in the following description.
本発明による基板ホルダの実施形態は、好ましくはリブが、カプセル封止部内、例えばハウジング内に配置されるように設計されている。カプセル封止部は、好ましくは少なくとも2つのアクセス部を有する。アクセス部の1つは流体の供給のために使用され、もう1つは排出のために使用される。これによって流体を、熱伝導体のリブを介して連続的に、特に周囲環境から空間的に隔離された状態で流れるようにすることが可能となる。このようなコンパクトな構造により、本発明による実施形態を、周囲の構成要素から隔離することも可能になる。冷却が気体冷却、特に空気冷却である場合には、効率的な冷却を保証するためにファンによって気体流、特に空気流をリブに流すだけでもう十分であろう。非常に特に好ましい実施形態では、冷却リブは、周囲雰囲気のみによって冷却される。 Embodiments of the substrate holder according to the present invention are preferably designed such that the ribs are arranged within the capsule encapsulation, eg, the housing. The capsule encapsulation section preferably has at least two access sections. One of the access units is used for fluid supply and the other is used for drainage. This allows the fluid to flow continuously through the ribs of the heat conductor, especially in a spatially isolated state from the surrounding environment. Such a compact structure also makes it possible to isolate embodiments according to the invention from surrounding components. If the cooling is gas cooling, especially air cooling, it may be sufficient to have a gas stream, especially an air stream, flowing through the ribs by a fan to ensure efficient cooling. In a very particularly preferred embodiment, the cooling ribs are cooled only by the ambient atmosphere.
好ましくは、流体の流速を制御することができる。この場合、流速は、1mm/秒より速く、好ましくは1cm/秒より速く、さらにより好ましくは10cm/秒より速く、最も好ましくは1m/秒より速い。コンパクトなカプセル封止部によって流体を圧力下に置くこともできる。この場合、流体の圧力は、好ましくは周囲圧力に一致する。しかしながら流体を、過圧下で使用することもできる。この場合、圧力は、1バールより大きく、好ましくは2バールより大きく、さらにより好ましくは5バールより大きく、最も好ましくは10バールより大きく、とりわけ最も好ましくは20バールより大きい。カプセル封止部への、ひいてはリブへの流体の供給は、好ましくはアクセス部に接続されたホース系を介して実施される。 Preferably, the flow velocity of the fluid can be controlled. In this case, the flow velocity is faster than 1 mm / sec, preferably faster than 1 cm / sec, even more preferably faster than 10 cm / sec, and most preferably faster than 1 m / sec. The compact capsule encapsulation also allows the fluid to be placed under pressure. In this case, the pressure of the fluid preferably corresponds to the ambient pressure. However, the fluid can also be used under overpressure. In this case, the pressure is greater than 1 bar, preferably greater than 2 bar, even more preferably greater than 5 bar, most preferably greater than 10 bar, and most preferably greater than 20 bar. The supply of fluid to the capsule encapsulation and thus to the ribs is preferably carried out via a hose system connected to the access.
任意選択の冷却要素および加熱要素
後述する熱伝導体と、その裏側にある熱交換器とに加えて、本発明による基板ホルダは、能動的に制御可能な追加的な冷却要素および/または加熱要素を有することができる。これらの追加的な冷却要素および/または加熱要素は、好ましくは本発明による基板ホルダ内に、特に熱伝導体内に組み込まれている。熱伝導体をできるだけ均質に維持し、追加的に組み込まれた構成要素による温度の跳びを生じさせないために、熱伝導体の周囲に冷却要素および/または加熱要素を取り付けることも考えられる。
Optional cooling and heating elements In addition to the heat conductors described below and the heat exchangers behind them, the substrate holders according to the invention are additional cooling and / or heating elements that can be actively controlled. Can have. These additional cooling and / or heating elements are preferably incorporated within the substrate holder according to the invention, especially in the heat conductor. It is also conceivable to install cooling and / or heating elements around the heat conductor to keep the heat conductor as homogeneous as possible and not to cause temperature jumps due to additional incorporated components.
加熱要素は、好ましくは誘導式ヒータである。しかしながら、比較的小さな温度差に対してのみ温度補償を実施すればよいので、より正確に、より迅速に、より効率的に制御することが可能であり、かつ熱伝導体の温度を輻射熱によって数℃の範囲で上昇させることが可能である赤外線源を、熱伝導体の側面に設置することも考えられる。 The heating element is preferably an inductive heater. However, since temperature compensation only needs to be performed for a relatively small temperature difference, it is possible to control the temperature more accurately, more quickly, and more efficiently, and the temperature of the heat conductor is controlled by radiant heat. It is also conceivable to install an infrared source that can be raised in the temperature range on the side of the thermal conductor.
冷却要素を、追加的に設置されるペルチェ素子とすることもでき、このペルチェ素子は、本来の本発明による熱伝導体とは独立して、本発明による基板ホルダ、とりわけ熱伝導体の追加的な冷却を可能にする。ペルチェ素子は、熱伝導体の材料均質性を破壊しないようにするために、好ましくは熱伝導体の外側に取り付けられる。 The cooling element can also be an additional installed Pelche element, which is an additional substrate holder, especially the heat conductor, according to the invention, independent of the original heat conductor according to the invention. Allows for cooling. The Pelche element is preferably mounted on the outside of the thermal conductor so as not to disrupt the material homogeneity of the thermal conductor.
本発明の本来の発明性のある特徴は、熱伝導体である。 The original inventive feature of the present invention is a thermal conductor.
熱伝導体
熱伝導体は、できるだけ大きい熱質量を有する構成要素である。熱質量は、比熱容量と物体の質量との積である。密度分布が一定の場合には、質量の代わりに密度と体積との積を使用してもよい。
Cth=m・cm=ρ・V・cm
Thermal Conductor A thermal conductor is a component that has as large a thermal mass as possible. The heat mass is the product of the specific heat capacity and the mass of the object. If the density distribution is constant, the product of density and volume may be used instead of mass.
C th = m ・cm = ρ ・ V ・cm
熱質量という概念は、主として工学分野において使用される。科学分野では、主により一般的に使用される概念である熱容量が使用される。熱容量の単位はJ/Kである。熱容量は、特定の温度において熱を蓄える、物体の能力に対する尺度である。大きい熱容量を有する物体は、緩衝要素として使用可能な蓄熱器である。 The concept of thermal mass is mainly used in the engineering field. In the scientific field, heat capacity, which is a more commonly used concept, is mainly used. The unit of heat capacity is J / K. Heat capacity is a measure of an object's ability to store heat at a particular temperature. An object with a large heat capacity is a heat storage device that can be used as a cushioning element.
一般的に、使用される冷却流体の温度Tkが上側の基板の温度と異なる場合、熱伝導体を介して温度勾配が低下する。温度勾配の代わりに平均温度を考慮することもできる。本明細書の以下の記載では、温度勾配または平均温度にはTwが付されている。冷却流体の温度は、本発明によるプロセスの実施中には好ましくは一定に維持され、その一方で、温度勾配または平均温度Twは一般的に変化する。温度Twは、好ましくは常に上側の基板の温度に一致しており、この温度からわずかにしか逸脱しない。 Generally, when the temperature Tk of the cooling fluid used is different from the temperature of the upper substrate, the temperature gradient is lowered via the heat conductor. The average temperature can be considered instead of the temperature gradient. In the following description of the present specification, the temperature gradient or the average temperature is referred to as Tw. The temperature of the cooling fluid is preferably kept constant during the implementation of the process according to the invention, while the temperature gradient or average temperature Tw generally varies. The temperature Tw preferably always coincides with the temperature of the upper substrate and deviates only slightly from this temperature.
本発明による重要な認識によれば、とりわけ両基板の間の熱抵抗Rth4が無限大であれば、上側の基板の温度と、本発明による熱伝導体または本発明による上側の基板ホルダの温度とが、冷却流体の温度、すなわちとりわけ周囲温度に一致するはずである。しかしながら、熱抵抗Rth4の値が有限であることにより、下側の基板から上側の基板への熱流量が生じ得る。 An important recognition by the present invention is that the temperature of the upper substrate and the temperature of the thermal conductor according to the invention or the temperature of the upper substrate holder according to the invention, especially if the thermal resistance Rth4 between the two substrates is infinite. Should match the temperature of the cooling fluid, especially the ambient temperature. However, due to the finite value of the thermal resistance Rth4, a heat flow rate from the lower substrate to the upper substrate can occur.
本発明によれば、「ランアウト」誤差を低減するため、または好ましくは完全に排除するために、とりわけ基板間の間隔dの間の温度差ΔTが既知であって、しかも所期のように調整可能であることが特に重要である。 According to the present invention, in order to reduce, or preferably completely eliminate, the "runout" error, in particular the temperature difference ΔT between the spacing d between the substrates is known and adjusted as desired. It is especially important to be able.
本発明による実施形態の本発明による課題は、基板の温度をできるだけ制御された状態で排出し、またそれに応じて強力に安定化させることであるので、熱伝導体は、できるだけ高い熱容量を有する。効率的な蓄熱を可能にするため、または熱変動をできるだけ効率的に補償するために、熱伝導体の熱容量は、できるだけ大きくなっている。温度安定性は、温度差ΔTの安定性にも反映される。大多数の固体では、温度および圧力が適度である場合、一定の体積における熱容量は、一定の圧力における熱容量とわずかにしか相違しない。したがって以下の記載では、これら2つの熱容量を区別しない。さらには、比熱容量が示される。熱伝導体の比熱容量は、とりわけ0.1kJ/(kg・K)より大きく、好ましくは0.5kJ/(kg・K)より大きく、さらにより好ましくは1kJ/(kg・K)より大きく、最も好ましくは10kJ/(kg・K)より大きく、とりわけ最も好ましくは20kJ/(kg・K)より大きい。熱伝導体の密度および幾何学形状が既知である場合には、上記の式によって比熱容量を絶対熱容量に変換することができる。 An object according to the present invention of the embodiment according to the present invention is to discharge the temperature of the substrate in a controlled state as much as possible and to stabilize the temperature of the substrate accordingly, so that the heat conductor has a heat capacity as high as possible. The heat capacity of the heat conductor is as large as possible to allow efficient heat storage or to compensate for heat fluctuations as efficiently as possible. The temperature stability is also reflected in the stability of the temperature difference ΔT. For the majority of solids, the heat capacity at a constant volume differs only slightly from the heat capacity at a constant pressure when the temperature and pressure are moderate. Therefore, in the following description, these two heat capacities are not distinguished. Furthermore, the specific heat capacity is shown. The specific heat capacity of the thermal conductor is particularly greater than 0.1 kJ / (kg · K), preferably greater than 0.5 kJ / (kg · K), even more preferably greater than 1 kJ / (kg · K), and most. It is preferably larger than 10 kJ / (kg · K), and most preferably larger than 20 kJ / (kg · K). If the density and geometry of the heat conductor are known, the specific heat capacity can be converted to absolute heat capacity by the above equation.
できるだけ迅速に熱を輸送しなければならないので、熱伝導体の材料はできるだけ高い熱伝導率を有するべきである。熱伝導率は、0.1W/(m・K)~5000W/(m・K)の間、好ましくは1W/(m・K)~2500W/(m・K)の間、さらにより好ましくは10W/(m・K)~1000W/(m・K)の間、最も好ましくは100W/(m・K)~450W/(m・K)の間にある。熱を排出するために最もよく使用される構成材料である銅は、例えば約400W/(m・K)の熱伝導率を有する。熱伝導率によって、所与の温度差において所定の距離にわたって単位時間当たりにどのくらいのエネルギが輸送されるかが規定される。単位時間当たりに輸送されるエネルギまたは熱量は、熱流量と呼ばれる。熱流量は、1J/秒より大きく、好ましく10J/秒より大きく、さらにより好ましくは100J/秒より大きく、最も好ましくは200J/秒より大きく、とりわけ最も好ましくは500J/秒より大きい。 The material of the heat conductor should have the highest possible thermal conductivity, as the heat must be transported as quickly as possible. The thermal conductivity is between 0.1 W / (m · K) and 5000 W / (m · K), preferably between 1 W / (m · K) and 2500 W / (m · K), and even more preferably 10 W. It is between / (m · K) and 1000 W / (m · K), most preferably between 100 W / (m · K) and 450 W / (m · K). Copper, which is the most commonly used constituent material for discharging heat, has a thermal conductivity of, for example, about 400 W / (m · K). Thermal conductivity defines how much energy is delivered per unit time over a given distance at a given temperature difference. The energy or amount of heat transported per unit time is called the heat flow. The heat flow is greater than 1 J / sec, preferably greater than 10 J / sec, even more preferably greater than 100 J / sec, most preferably greater than 200 J / sec, and most preferably greater than 500 J / sec.
熱伝導体は、該熱伝導体の裏側において、好ましくは能動的または受動的に冷却される。受動的な冷却は、とりわけできるだけ大きい表面積を介して熱を放出することによって実施される。能動的な冷却は、冷却流体によって実施される。冷却流体は、気体または液体とすることができる。例えば、以下のものが考えられ得る:
●液体、とりわけ
○水
○油
●気体、とりわけ
○希ガス
・ヘリウム
・アルゴン
○分子ガス
・HFCKW
・HFKW
・FCKW
・PFKW
・CO2
・N2
・O2
●混合気体、とりわけ
○空気、とりわけ
・周囲空気
The heat conductor is preferably actively or passively cooled behind the heat conductor. Passive cooling is carried out, among other things, by releasing heat through the largest possible surface area. Active cooling is carried out by the cooling fluid. The cooling fluid can be a gas or a liquid. For example, the following can be considered:
● Liquid, especially ○ Water ○ Oil ● Gas, especially ○ Noble gas ・ Helium ・ Argon ○ Molecular gas ・ HFCKW
・ HFKW
・ FCKW
・ PFKW
・ CO2
・ N2
・ O2
● Mixed gas, especially ○ Air, especially ・ Ambient air
冷却流体は、熱伝導体を介して熱を吸収し、これによって加熱され、それと同時に熱伝導体を冷却する。加熱された冷却流体は、好ましくは冷却回路内で循環され、回路系の異なる地点で熱を排出し、このときに再び冷却され、改めて冷却回路にフィードバックされる。好ましくは、取扱いが容易であるので、冷却ガスが使用される。冷却流体が周囲空気である場合には、冷却は、熱伝導体から周囲空気中へと熱が排出されることによって実施される。局所的に加熱された周囲空気は、その後、周囲雰囲気中を伝播し、これによって温度適応および冷却がもたらされる。 The cooling fluid absorbs heat through the heat conductor, thereby heating it and at the same time cooling the heat conductor. The heated cooling fluid is preferably circulated in the cooling circuit to dissipate heat at different points in the circuit system, where it is cooled again and fed back to the cooling circuit again. Preferably, cooling gas is used because it is easy to handle. When the cooling fluid is ambient air, cooling is carried out by discharging heat from the heat conductor into the ambient air. The locally heated ambient air then propagates through the ambient atmosphere, which results in temperature adaptation and cooling.
比較的大きな表面を介して熱を分散させることにより、冷却流体への放熱または熱伝達の効率が向上する。表面の粗さを意識的に増大させることにより、表面積をさらにより拡大することができる。この場合、粗さは、10nmより大きく、好ましくは100nmより大きく、さらにより好ましくは1μmより大きく、最も好ましくは10μmより大きく、とりわけ最も好ましくは100μmより大きい。 Dispersing heat through a relatively large surface improves the efficiency of heat dissipation or heat transfer to the cooling fluid. By consciously increasing the surface roughness, the surface area can be further increased. In this case, the roughness is greater than 10 nm, preferably greater than 100 nm, even more preferably greater than 1 μm, most preferably greater than 10 μm, and most preferably greater than 100 μm.
リブを有さない熱伝導体を使用することも考えられ、これによって熱伝導体の製造を簡単にすることができる。 It is also conceivable to use a heat conductor without ribs, which simplifies the manufacture of the heat conductor.
本発明によるさらなる実施形態では、熱伝導体の少なくとも表側に開放気孔を設けることが考えられ得る。この場合、孔の寸法は、100nmより大きく、好ましくは1μmより大きく、さらにより好ましくは10μmより大きく、最も好ましくは100μmより大きく、とりわけ最も好ましくは約1mmである。冷却流体は開放気孔を通流し、このときに、大きな表面積に基づいてさらに効率的に熱を吸収する。リブの表面積をさらに拡大するために、リブだけに開放気孔を設けることも考えられ得る。 In a further embodiment of the present invention, it may be conceivable to provide open pores at least on the front side of the thermal conductor. In this case, the pore size is greater than 100 nm, preferably greater than 1 μm, even more preferably greater than 10 μm, most preferably greater than 100 μm, and most preferably approximately 1 mm. The cooling fluid passes through the open pores, at which time it absorbs heat more efficiently based on its large surface area. In order to further increase the surface area of the rib, it is conceivable to provide open pores only in the rib.
本発明による基板ホルダ、とりわけ熱伝導体の主要な課題は、基板の温度の調整および温度の安定化、または下側の基板と上側の基板との間の温度差の調整および温度差の安定化である。これに加えて本発明による基板ホルダは、基板の冷却および/または加熱の必要性に応じて基板に熱を供給し、かつ/または基板から熱を排出する。本発明による基板ホルダによれば、とりわけ最高温度、または上側の基板と下側の基板との間の温度差ΔTを所期のように調整することができるようになり、さらには、とりわけ両基板をボンディングするために必要な期間と同じ期間の間、さらにより好ましくはそれよりも長い期間の間、最高温度または温度差ΔTの温度安定性が保証される。 The main subject of the substrate holder, especially the thermal conductor, according to the present invention is to regulate and stabilize the temperature of the substrate, or to regulate the temperature difference between the lower substrate and the upper substrate and to stabilize the temperature difference. Is. In addition to this, the substrate holder according to the invention supplies heat to the substrate and / or exhausts heat from the substrate depending on the need for cooling and / or heating of the substrate. According to the substrate holder according to the present invention, the maximum temperature or the temperature difference ΔT between the upper substrate and the lower substrate can be adjusted as desired, and moreover, both substrates in particular. The temperature stability of the maximum temperature or the temperature difference ΔT is guaranteed for the same period as required for bonding, and even more preferably for a longer period.
さらなる記載では、それぞれ少なくとも1つの特徴が異なっている複数の本発明による実施形態について言及される。上述した全ての本発明による実施形態を、上述した複数の特徴を組み合わせた本発明によるさらなる対応する実施形態を作成することが可能となるように、任意に互いに組み合わせることができる。 Further description refers to a plurality of embodiments according to the invention, each of which differs from at least one feature. All the embodiments according to the present invention described above can be optionally combined with each other so as to be able to create a further corresponding embodiment according to the present invention in which the plurality of features described above are combined.
本発明による例示的な実施形態では、本発明による基板ホルダは、別個の位置固定部を有し、この位置固定部の上に熱伝導体が配置される。すなわち熱伝導体と位置固定部とは、それぞれ異なっているが互いに結合された2つの構成要素である。2つの構成要素のできるだけ効率的な熱的結合は、できるだけ平坦な表面を介して実施される。この場合、位置固定部または熱伝導体の互いに接触している表面の粗さは、100μm未満、好ましくは10μm未満、さらにより好ましくは1μm未満、最も好ましくは100nm未満、とりわけ最も好ましくは10nm未満である。熱伝導性ペーストを使用することによって熱移動をさらに改善することができる。 In an exemplary embodiment of the invention, the substrate holder according to the invention has a separate position fixing portion on which the thermal conductor is placed. That is, the heat conductor and the position fixing portion are two components that are different from each other but are coupled to each other. The most efficient thermal coupling of the two components is carried out through the flattest surface possible. In this case, the roughness of the surface of the position fixing portion or the heat conductor in contact with each other is less than 100 μm, preferably less than 10 μm, still more preferably less than 1 μm, most preferably less than 100 nm, and most preferably less than 10 nm. be. Thermal transfer can be further improved by using a thermally conductive paste.
さらなる好ましい実施形態では、前記位置固定表面は、前記熱伝導体と一体的に形成されている。換言すれば、熱伝導体自体が、位置固定部として構成されている。熱伝導体と、位置固定部または位置固定表面とは、一体的に形成されている。が、本発明の機能性に決定的な影響を与えるわけではないので、これ以上は取り扱い、図示、または説明しない。本発明による当該実施形態によれば、位置固定部と熱伝導体との間に境界面が存在しないので、熱伝導を改善することが可能である。 In a more preferred embodiment, the fixed surface is integrally formed with the thermal conductor. In other words, the heat conductor itself is configured as a position fixing portion. The heat conductor and the position fixing portion or the position fixing surface are integrally formed. However, it does not have a decisive effect on the functionality of the present invention and will not be dealt with, illustrated or described further. According to the embodiment of the present invention, since there is no boundary surface between the position fixing portion and the heat conductor, it is possible to improve the heat conduction.
熱伝導体が一体的であるか、または1つの部分からなる本発明による実施形態は、本発明による最適な実施形態であるので、以下における全ての変形形態は、この基本型に関連するものとする。したがって、位置固定部と熱伝導体とは、以下の記載では同義語として使用される。 Since the embodiment according to the invention in which the thermal conductor is integral or consists of one part is the optimum embodiment according to the present invention, all the modifications below are related to this basic type. do. Therefore, the fixed position and the heat conductor are used as synonyms in the following description.
本発明によるさらなる特に好ましい実施形態では、前記基板ホルダは、前記基板を変形させるための少なくとも1つの、とりわけ移動可能な、好ましくは駆動可能な変形要素を有し、前記少なくとも1つの変形要素は、好ましくは前記基板ホルダの中心に配置されている。前記少なくとも1つの変形要素は、とりわけ前記位置固定表面または位置固定される基板に対して垂直に移動可能であり、とりわけ駆動可能とすることができる。前記少なくとも1つの変形要素は、好ましくは前記基板が前記位置固定表面から離れる方向に変形可能となるように構成されている。基板ホルダまたは熱伝導体は、とりわけ中心に形成された、かつ/または一貫して延在する孔部を有することができ、この孔部の中に少なくとも1つの変形要素がとりわけ移動可能に、好ましくは駆動可能に配置されているか、またはこの孔部が、位置固定された基板を変形させることができる少なくとも1つの変形要素のアクセスを可能にする。少なくとも1つの変形要素は、例えば以下のものである:
●ピン
●スパイク
●球
●ノズル、とりわけ
○ガスノズル
In a further particularly preferred embodiment according to the invention, the substrate holder has at least one, in particular movable, preferably driveable, deformable element for deforming the substrate, wherein the at least one deformable element is: It is preferably arranged in the center of the substrate holder. The at least one deforming element is, among other things, movable perpendicular to the position-fixed surface or the position-fixed substrate, and can be particularly driveable. The at least one deformable element is preferably configured so that the substrate can be deformed in a direction away from the position fixing surface. The substrate holder or thermal conductor can have a particularly centrally formed and / or consistently extending hole in which at least one deforming element is particularly mobile, preferably. Are driveably arranged or this hole allows access to at least one deforming element capable of deforming a fixed substrate. At least one variant is, for example:
● Pin ● Spike ● Ball ● Nozzle, especially ○ Gas nozzle
変形要素は、所期のように駆動されることによって基板を少なくとも局所的に、好ましくは中心において変形させることができるように、操作または制御される。この場合、変形は、変形要素の側面から見たときに好ましくは凹状である。変形は、とりわけ基板を位置固定部または位置固定表面から解離させるプロセスのために使用される。 The deforming element is manipulated or controlled so that the substrate can be deformed at least locally, preferably centered, by being driven as desired. In this case, the deformation is preferably concave when viewed from the side of the deforming element. Deformation is used, among other things, for the process of dissociating a substrate from a fixed part or fixed surface.
本発明によるさらなる実施形態では、熱伝導体は、基板と位置固定表面との接触、または基板と熱伝導体の材料との接触をできるだけ少なくなることを保証するために、位置固定表面に少なくとも1つのくぼみ部および/または凹部を有する。これによって、いわゆる有効位置固定表面積が減少する。有効位置固定表面積は、位置固定表面のうちの実際に基板に接触している面積である。好ましくは、位置固定表面に少なくとも1つの凹部が配置され、これによって基板を位置固定表面から離間して保持することができる。本発明による当該実施形態の利点は、熱伝導体の表面による基板の汚染が低減されることにある。熱輸送を効率的に実施するために、これに相応して高い熱伝導率と、これに相応して高い熱容量とを有する気体を少なくとも1つのくぼみ部および/または凹部に導入、とりわけ流入させることができる。この場合、基板は、数個の位置固定要素においてのみ、とりわけ周辺および/または中心に位置する位置固定要素においてのみ位置固定される。このような実施形態は、国際公開第2013/023708号(WO2013/023708A1)に開示されており、この実施形態に関する同文献の開示内容は、本出願の開示内容に明示的に含まれる。 In a further embodiment according to the invention, the heat conductor has at least one on the position-fixed surface to ensure that the contact between the substrate and the position-fixed surface or the contact between the substrate and the material of the heat conductor is as low as possible. It has two recesses and / or recesses. This reduces the so-called effective position fixed surface area. The effective position-fixed surface area is the area of the position-fixed surface that is actually in contact with the substrate. Preferably, at least one recess is placed on the fixed surface so that the substrate can be held away from the fixed surface. The advantage of the embodiment according to the present invention is that the contamination of the substrate by the surface of the thermal conductor is reduced. In order to carry out heat transfer efficiently, a gas having a correspondingly high thermal conductivity and a correspondingly high heat capacity is introduced into, among other things, into at least one recess and / or recess. Can be done. In this case, the substrate is positioned only on a few position fixing elements, especially on the peripheral and / or centered position fixing elements. Such embodiments are disclosed in WO 2013/023708 (WO2013 / 023708A1), and the disclosures of this document relating to these embodiments are expressly included in the disclosures of this application.
本発明によるさらなる実施形態では、少なくとも1つの凹部の中に、突起形状(突起)および/または針形状および/または柱形状の要素が配置されており、これらの要素によって、基板を位置固定表面から離間して保持することができ、これらの要素は、とりわけ基板の方向に先鋭に延在することができる。これらの要素は、熱伝導体の表面まで到達しており、位置固定された基板を支持する。位置固定された基板と熱伝導体との間の熱的結合を保証するために、本発明による当該実施形態では、突起および/または針および/または柱の中間空間に、大きい熱容量を有する流体を通流させることも可能である。 In a further embodiment according to the invention, protrusion-shaped (protrusions) and / or needle-shaped and / or column-shaped elements are arranged in at least one recess, which allows the substrate to be displaced from the position-fixed surface. They can be held apart and these elements can extend sharply, especially towards the substrate. These elements reach the surface of the thermal conductor and support the fixed substrate. In order to ensure the thermal coupling between the positioned substrate and the thermal conductor, in this embodiment of the invention, a fluid having a large heat capacity is placed in the intermediate space of the protrusions and / or the needles and / or columns. It is also possible to let it flow.
位置固定要素
本開示の本発明による実施形態は全て、基板、特にウェーハ、さらにより好ましくは半導体ウェーハを位置固定することができる。この場合、位置固定は、あらゆる任意の位置固定要素によって実施することができる。好ましくは、前記位置固定表面の内部に、表面に、および/または上に、前記基板を位置固定させるための位置固定要素が、とりわけ全面的に配置されている。考えられ得るのは、以下の通りである。
●真空式の位置固定
●静電気式の位置固定
●磁気式の位置固定
●機械式の位置固定、とりわけ
○クランプ
●接着式の位置固定、とりわけ
○接着フィルムによる位置固定
Positioning Elements All embodiments of the present invention according to the present invention can position substrates, especially wafers, and even more preferably semiconductor wafers. In this case, the positioning can be performed by any arbitrary positioning element. Preferably, the position fixing element for fixing the position of the substrate is disposed on the inside of the position fixing surface, and / or on the surface, particularly entirely. The possible ones are as follows.
● Vacuum type position fixing ● Static type position fixing ● Magnetic type position fixing ● Mechanical position fixing, especially ○ Clamp ● Adhesive type position fixing, especially ○ Position fixing by adhesive film
前記位置固定表面にわたって全面的に分散されて配置された、真空式の位置固定または真空通路(以下では真空チャネルとも呼ばれる)が特に好ましい。真空式の位置固定は、基板ホルダの位置固定表面に設けられた真空開口部で終端する複数の真空チャネルからなる。 A vacuum-type position-fixing or vacuum passage (hereinafter also referred to as a vacuum channel), which is dispersed and arranged over the position-fixing surface, is particularly preferable. The vacuum-type position fixing consists of a plurality of vacuum channels terminated by a vacuum opening provided on the position fixing surface of the substrate holder.
本発明による別の実施形態では、真空チャネル同士が互いに結合されており、これによって真空チャネルの排気および/または注気を同時に実施できるようになっている。 In another embodiment according to the invention, the vacuum channels are coupled to each other so that the vacuum channels can be exhausted and / or injected simultaneously.
本発明による別の実施形態では、少なくとも個々の真空チャネル同士が互いに結合されており、対応する真空チャネル群を形成している。この場合、それぞれの真空チャネル群を個別に制御可能であり、これによって基板の区分毎の位置固定および/または解離を実現することができる。本発明による特別な実施形態では、複数の真空開口部は、それぞれ異なる半径を有する複数のセンタリングされた円の中に配置されて、真空チャネル群を形成している。有利には、同じ1つの円に含まれる全ての真空チャネルが同時に制御され、これによって基板の位置固定および/または解離が中心において開始し、半径対称に外側に向かって進行するように制御することができる。これによって、基板を制御された状態で位置固定および/または解離するための特に効率的な手段が得られる。 In another embodiment of the invention, at least the individual vacuum channels are coupled together to form a corresponding group of vacuum channels. In this case, each vacuum channel group can be individually controlled, whereby the position fixing and / or dissociation for each division of the substrate can be realized. In a particular embodiment according to the invention, the plurality of vacuum openings are arranged in a plurality of centered circles, each having a different radius, to form a group of vacuum channels. Advantageously, all vacuum channels contained in the same circle are controlled simultaneously, thereby controlling the positioning and / or dissociation of the substrate to start in the center and proceed radially outward. Can be done. This provides a particularly efficient means for fixing and / or dissociating the substrate in a controlled manner.
熱抵抗:等価回路図
本発明のさらなる重要な発明性のある特徴は、とりわけ本発明による基板ホルダを通る熱流束の最適化である。熱源とヒートシンクとの間の熱流束は、熱抵抗によって決定的な影響を受ける。それぞれの静的な多粒子系、したがって気体および液体のような流体、ならびに固体は、熱抵抗を有する。熱抵抗の定義は、当業者には周知である。熱抵抗は、純粋な材料パラメータではない。熱抵抗は、熱伝導率、厚さ、および断面積に依存する。
R=d/(A・λ)
Thermal Resistance: Equivalent Circuit Diagram A further important inventive feature of the present invention is, among other things, the optimization of heat flux through the substrate holder according to the present invention. The heat flux between the heat source and the heat sink is decisively affected by the thermal resistance. Each static multi-particle system, and thus fluids such as gases and liquids, as well as solids has thermal resistance. The definition of thermal resistance is well known to those of skill in the art. Thermal resistance is not a pure material parameter. Thermal resistance depends on thermal conductivity, thickness, and cross-sectional area.
R = d / (A · λ)
本明細書の以下の記載では、熱流量が常に同じ断面積を通って流れるものと仮定され、したがって、一定の断面積における熱抵抗は、考慮対象であるそれぞれの材料の熱伝導率および厚さの関数とみなされるべきである。熱抵抗は、図面ではRthおよび添字を用いて略記される。本発明によれば、とりわけ8つの関連する熱抵抗が存在する。Rth1~Rth8は、(i)下側の基板ホルダの熱抵抗、(ii)下側の基板ホルダと下側の基板との間の流体または真空の熱抵抗、(iii)下側の基板の熱抵抗、(iv)両基板の間の流体または真空の熱抵抗、(v)上側の基板の熱抵抗、(vi)上側の基板と上側の基板ホルダとの間の流体または真空の熱抵抗、(vii)熱伝導体の熱抵抗、および(viii)とりわけ冷却リブの間を流れる流体の熱抵抗である。 In the following description of the present specification, it is assumed that the heat flow always flows through the same cross-sectional area, so that the thermal resistance at a certain cross-sectional area is the thermal conductivity and thickness of each material under consideration. Should be considered a function of. Thermal resistance is abbreviated in the drawings using Rth and subscripts. According to the present invention, there are, among other things, eight related thermal resistances. Rth1 to Rth8 are (i) the thermal resistance of the lower substrate holder, (ii) the thermal resistance of the fluid or vacuum between the lower substrate holder and the lower substrate, and (iii) the thermal resistance of the lower substrate. Resistance, (iv) thermal resistance of fluid or vacuum between both substrates, (v) thermal resistance of upper substrate, (vi) thermal resistance of fluid or vacuum between upper substrate and upper substrate holder, (v) vii) The thermal resistance of the heat conductor, and (viii) the thermal resistance of the fluid flowing between the cooling ribs in particular.
熱流量は、熱源とヒートシンクとの間に加えられる温度差に正比例する。熱抵抗は、比例定数である。したがって、以下のことが当てはまる。
R=(1/ΔT)・(dQ/dt)
The heat flow is directly proportional to the temperature difference applied between the heat source and the heat sink. Thermal resistance is a constant of proportionality. Therefore, the following applies:
R = (1 / ΔT) · (dQ / dt)
とりわけ本発明のさらなる重要な発明性のある特徴は、基板の上方および/または下方の熱抵抗を最小化し、かつ基板同士の間の熱抵抗を最大化することである。したがって、本発明によれば、とりわけ以下のようにして熱抵抗を設計すべきである:
・Rth1は、とりわけ高い熱伝導率を有する材料を選択することによって最小化され、
・Rth2は、とりわけ高い熱伝導率を有する流体を選択することによって最小化され、
・Rth3は、高い熱伝導率を有する基板を選択することによって最小化されるべきであり、
・Rth4は、とりわけ低い熱伝導率を有する気体を通流させることによって、および/または真空によって、および/または最適化されたプロセス管理によって、とりわけ間隔を巧妙に選択することによって最大化され、
・Rth5は、高い熱伝導率を有する基板を選択することによって最小化されるべきであり、
・Rth6は、とりわけ高い熱伝導率を有する流体を選択することによって最小化され、
・Rth7は、とりわけ高い熱伝導率を有する材料を選択することによって最小化され、および/または
・Rth8は、とりわけ高い熱伝導率を有する流体を選択することによって最小化される。
In particular, a further important inventive feature of the present invention is to minimize the thermal resistance above and / or below the substrates and maximize the thermal resistance between the substrates. Therefore, according to the present invention, the thermal resistance should be designed specifically as follows:
Rth1 is minimized by selecting a material with a particularly high thermal conductivity.
Rth2 is minimized by choosing a fluid with a particularly high thermal conductivity.
Rth3 should be minimized by choosing a substrate with high thermal conductivity.
Rth4 is maximized by passing a gas with particularly low thermal conductivity and / or by vacuum and / or by optimized process control, especially by clever selection of spacing.
Rth5 should be minimized by choosing a substrate with high thermal conductivity.
Rth6 is minimized by choosing a fluid with a particularly high thermal conductivity.
Rth7 is minimized by selecting a material with a particularly high thermal conductivity, and / or Rth8 is minimized by selecting a fluid with a particularly high thermal conductivity.
とりわけ本発明による実施形態の重要な特徴は、上側の基板の温度、または下側の基板と上側の基板との間の温度差ΔTを、所期のように調整することができること、およびボンディング過程の間にできるだけ一定に維持することである。このことは、本発明に基づいて熱抵抗を正しく選択することによって実現される。熱抵抗Rth4を最大化することにより、下側の基板から上側の基板への熱流量が最小化され、それどころか好ましくは完全に遮断される。ただし、熱流量の完全な遮断は実際には実現不可能であるので、実際には上側の基板の温度変化が常に生じることとなる。温度差ΔTは、とりわけ20℃未満、好ましくは10℃未満、さらにより好ましくは5℃未満、最も好ましくは1℃未満、とりわけ最も好ましくは0.1℃未満である。 Particularly important features of the embodiments according to the present invention are that the temperature of the upper substrate or the temperature difference ΔT between the lower substrate and the upper substrate can be adjusted as desired, and the bonding process. It is to keep it as constant as possible during the period. This is achieved by correctly selecting the thermal resistance based on the present invention. By maximizing the thermal resistance Rth4, the heat flow from the lower substrate to the upper substrate is minimized and, on the contrary, completely shut off. However, since it is not possible to completely shut off the heat flow, in reality, the temperature of the upper substrate always changes. The temperature difference ΔT is particularly less than 20 ° C., preferably less than 10 ° C., even more preferably less than 5 ° C., most preferably less than 1 ° C., and most preferably less than 0.1 ° C.
他方では、とりわけ下側の基板の温度を、下側の基板ホルダ内の加熱装置によって正確に調整することができるようにすべきである。とりわけ下側の基板の温度を、下側の基板ホルダの温度に一致させるべきである。下側の基板ホルダは、とりわけ100℃未満、好ましくは75℃未満、さらにより好ましくは50℃未満、最も好ましくは30℃未満の温度に温度調節される。 On the other hand, in particular, the temperature of the lower substrate should be able to be precisely adjusted by the heating device in the lower substrate holder. In particular, the temperature of the lower substrate should match the temperature of the lower substrate holder. The lower substrate holder is particularly temperature controlled to less than 100 ° C, preferably less than 75 ° C, even more preferably less than 50 ° C, most preferably less than 30 ° C.
さらには、とりわけ上側の基板の温度を、冷却流体および/または熱伝導体の温度に一致させるべきである。本発明による非常に特別な実施形態では、冷却流体の温度は、特に周囲温度に一致する。これは、とりわけ雰囲気自体を冷却流体として使用する場合に当てはまる。冷却流体は、とりわけ100℃未満、好ましくは75℃未満、さらにより好ましくは50℃未満、最も好ましくは30℃未満の温度に温度調節される。本発明による非常に特別な実施形態では、周囲雰囲気が冷却流体として使用され、したがって室温または周囲温度を有する。 Furthermore, the temperature of the upper substrate, among other things, should match the temperature of the cooling fluid and / or the thermal conductor. In a very specific embodiment according to the invention, the temperature of the cooling fluid particularly coincides with the ambient temperature. This is especially true when the atmosphere itself is used as the cooling fluid. The cooling fluid is particularly temperature controlled below 100 ° C, preferably below 75 ° C, even more preferably below 50 ° C, and most preferably below 30 ° C. In a very specific embodiment according to the invention, the ambient atmosphere is used as the cooling fluid and thus has room temperature or ambient temperature.
基板の直径を変更することはできない。使用される基板の熱伝導率および厚さもまた、大抵は製造条件によって予め決定されているので、本発明による最適化のために利用できないことが多い。本発明に基づいて熱抵抗を正しく選択することによって、とりわけ下側の基板から上側の基板への熱流束が好ましくは最小化され、かつ上側の基板から冷却流体への熱流束が最大化される。したがって、温度差ΔTは、本発明によれば一定のままである。 The diameter of the substrate cannot be changed. The thermal conductivity and thickness of the substrate used are also often predetermined by manufacturing conditions and are often not available for optimization according to the present invention. By correctly selecting the thermal resistance based on the present invention, the heat flux from the lower substrate to the upper substrate is preferably minimized, and the heat flux from the upper substrate to the cooling fluid is maximized. .. Therefore, the temperature difference ΔT remains constant according to the present invention.
本発明による熱抵抗の選択のさらなる目標は、とりわけ特に、上側の基板の温度を、とりわけ周囲温度で一定に維持することであり、したがって他の熱源、とりわけ下側の基板の熱源による影響を最小化することである。下側の基板ホルダの温度、ひいては下側の基板の温度が一定に維持される場合には、このことは、とりわけ温度領域dにおけるボンディング過程の間に上側の基板と下側の基板との間の温度差ΔTが維持されることと同義である。このことは、特に基板同士の間の熱抵抗Rth4を最大化することによって実現される。これに対して、下側の基板の温度T1uは、加熱装置によってできるだけ効率的に制御可能にすべきである。この場合、下側の基板ホルダの温度にはTpが付されている。好ましくは、下側の基板ホルダの温度Tpは、いずれの時点においても下側の基板の温度T1uと同一である。ヒータから下側の基板への熱の伝導は、特に熱抵抗Rth1およびRth2を最小化することによって実現される。 A further goal of thermal resistance selection according to the present invention is to keep the temperature of the upper substrate constant, especially at ambient temperature, and thus minimize the effects of other heat sources, especially the heat source of the lower substrate. Is to become. If the temperature of the lower substrate holder, and thus the temperature of the lower substrate, is kept constant, this will be between the upper substrate and the lower substrate, especially during the bonding process in the temperature region d. It is synonymous with maintaining the temperature difference ΔT of. This is achieved especially by maximizing the thermal resistance Rth4 between the substrates. On the other hand, the temperature T1u of the lower substrate should be controllable as efficiently as possible by the heating device. In this case, Tp is attached to the temperature of the lower substrate holder. Preferably, the temperature Tp of the lower substrate holder is the same as the temperature T1u of the lower substrate at any time point. The conduction of heat from the heater to the lower substrate is achieved, especially by minimizing the thermal resistances Rth1 and Rth2.
プロセス
本発明による方法または本発明によるプロセスは、いわゆる温度・時間線図に基づいて説明することができる。この温度・時間線図では、温度、とりわけ本発明による基板ホルダに位置固定された基板の温度Tが、時間tの関数として示されている(温度グラフ)。この場合、温度は、温度・時間線図の左端の縦軸上に示される。温度・時間線図に間隔・時間曲線(間隔グラフ)を記載することもでき、この曲線から、両基板の間隔がどの時点でどれだけ大きいかを読み取ることができる。この場合、間隔・時間曲線の縦軸は、温度・時間線図の右端に示される。間隔・時間曲線は、mmからnm範囲までの間隔を示すので、好ましくは対数的にスケーリング(目盛り付)される。ただし、明瞭化のために、図面の間隔・時間曲線は、線形スケーリングによって示されている。なお、以下の記載では、簡略化のために温度・時間線図、または略してT-t線図に関してのみ言及される。位置固定された基板に関するT-t線図の他に、本発明による基板ホルダに関するT-t線図について説明することも可能である。ただし、これら2つのT-t線図は、とりわけ温度軸に沿ったずれが最小であることに鑑みると互いにわずかにしか相違しない。したがって、本明細書の以下の記載では、T-t線図は、位置固定された基板および/または本発明による基板ホルダの温度・時間線図に対して同義的に使用される。この仮定は、特に熱抵抗Rth2およびRth6が最小である場合に正当化されている。この場合には、基板ホルダと基板との間の熱的結合が非常に良好であるので、基板ホルダの温度と基板の温度とは多かれ少なかれ同一であると仮定することができる。
Process The method according to the present invention or the process according to the present invention can be described based on a so-called temperature / time diagram. In this temperature / time diagram, the temperature, particularly the temperature T of the substrate positioned and fixed to the substrate holder according to the present invention, is shown as a function of the time t (temperature graph). In this case, the temperature is shown on the vertical axis at the left end of the temperature / time diagram. It is also possible to describe an interval / time curve (interval graph) in the temperature / time diagram, and from this curve, it is possible to read at what time and how large the interval between the two substrates is. In this case, the vertical axis of the interval / time curve is shown at the right end of the temperature / time diagram. Since the interval / time curve shows the interval from mm to nm, it is preferably logarithmically scaled (scaled). However, for clarity, the interval / time curves in the drawings are shown by linear scaling. In the following description, for the sake of simplification, only the temperature / time diagram, or the Tt diagram for short, will be referred to. In addition to the Tt diagram relating to the position-fixed substrate, it is also possible to explain the Tt diagram relating to the substrate holder according to the present invention. However, these two Tt diagrams differ only slightly from each other, especially in view of the minimum deviation along the temperature axis. Therefore, in the following description of the present specification, the Tt diagram is used synonymously with respect to the temperature / time diagram of the position-fixed substrate and / or the substrate holder according to the present invention. This assumption is justified, especially when the thermal resistances Rth2 and Rth6 are minimal. In this case, the thermal coupling between the substrate holder and the substrate is so good that it can be assumed that the temperature of the substrate holder and the temperature of the substrate are more or less the same.
それぞれの線図は、一般的に6つの区分、とりわけ時間区分に分割することができる。 Each diagram can generally be divided into six sections, especially time sections.
第1の最初の区分aでは、比較的間隔が大きい状態から基板同士が接近される。区分aにおける両基板の間の間隔は、1mmより大きく、好ましくは2mmより大きく、さらにより好ましくは3mmより大きく、最も好ましくは10mmより大きく、とりわけ最も好ましくは20mmより大きい。区分aにおける基板の移動は、他方の基板、とりわけ下側の第2の基板による温度上昇、または一般的に室温を上回る温度まで加熱され得る他方の基板ホルダ、とりわけ下側の第2の基板ホルダによる温度上昇をもたらさない。第2の下側の基板または第2の下側の基板ホルダの熱放射による影響、および/または上側の第1の基板の周囲の気体の熱対流による影響が生じる程に、両基板の間の間隔が減少すると、上側の第1の基板において穏やかな温度上昇が生じる。 In the first first division a, the substrates are brought close to each other from a state where the distance is relatively large. The distance between the two substrates in category a is greater than 1 mm, preferably greater than 2 mm, even more preferably greater than 3 mm, most preferably greater than 10 mm, and most preferably greater than 20 mm. The movement of the substrate in category a is a temperature rise due to the other substrate, in particular the lower second substrate, or the other substrate holder which can be heated to a temperature generally above room temperature, in particular the lower second substrate holder. Does not cause temperature rise due to. Between the two substrates, the effect of heat radiation from the second lower substrate or the second lower substrate holder and / or the effect of thermal convection of the gas around the upper first substrate. As the spacing decreases, a moderate temperature rise occurs in the upper first substrate.
この穏やかな温度上昇の領域bは、粗大接近領域と呼ばれる。この場合、両基板の間隔は、10mm~0mmの間、好ましくは5mm~0mmの間、さらにより好ましくは1mm~0μmの間、最も好ましくは100μm~0μmの間にある。 This region b of moderate temperature rise is called the coarse approach region. In this case, the distance between the two substrates is between 10 mm and 0 mm, preferably between 5 mm and 0 mm, even more preferably between 1 mm and 0 μm, and most preferably between 100 μm and 0 μm.
基板同士をさらに互いに接近させると、粗大接近領域bの最後で上側の第1の基板の温度が急激に上昇する。両基板の間で一種の熱的結合が生じるのである。基板間隔対基板直径の間隔・直径比が小さいので、熱によって上側の第1の基板が加熱される。熱放射によって加熱された周囲気体は、もはや両基板の中間空間から十分な速度で拡散することができないので、好ましくは熱を、下側の第2の基板から上側の第1の基板へと直接的に伝達する。実質的にまだ上側の第1の基板の表面に到達する可能性しか有さない熱放射にも、同様の考察が当てはまる。基板が強力に加熱されるこの領域は、近接接近領域cと呼ばれる。この場合、両基板の間隔は、1mm~0mmの間、好ましくは100μm~0μmの間、さらにより好ましくは10μm~0μmの間、最も好ましくは1μm~0μmの間にある。 When the substrates are further brought closer to each other, the temperature of the upper first substrate at the end of the coarse approach region b rises sharply. A kind of thermal bond occurs between the two substrates. Since the distance / diameter ratio between the substrate spacing and the substrate diameter is small, the first substrate on the upper side is heated by heat. Since the ambient gas heated by heat radiation can no longer diffuse at a sufficient rate from the intermediate space between the two substrates, it is preferable to transfer heat directly from the lower second substrate to the upper first substrate. Communicate Similar considerations apply to thermal radiation, which may only reach the surface of the first substrate on the upper side substantially. This region where the substrate is strongly heated is called the close proximity region c. In this case, the distance between the two substrates is between 1 mm and 0 mm, preferably between 100 μm and 0 μm, even more preferably between 10 μm and 0 μm, and most preferably between 1 μm and 0 μm.
近接接近領域cからいわゆる温度飽和領域dへの温度分布の移行は、好ましくは数学的にはできるだけ定常的であるが区別することができない移行によって実施される。移行を連続的に実施し、これによって領域cとdとの分離を一義的に実施することができないようにすることも考えられる。温度・時間線図の形は、「サメのひれ」のように見える。しかしながら、また別の形状も考えられ得る。 The transition of the temperature distribution from the close proximity region c to the so-called temperature saturation region d is preferably carried out by a transition that is mathematically as stationary as possible but indistinguishable. It is also conceivable to carry out the transition continuously, thereby making it impossible to uniquely carry out the separation between the regions c and d. The shape of the temperature / time diagram looks like a "shark fin". However, other shapes are also conceivable.
本発明によるボンディング過程は、好ましくは温度飽和領域dにおいて実施される。基板同士の並進的な接近が停止され、すなわち基板同士の間の間隔は一定のままである。この時点では、上側の第1の基板は、温度飽和領域dの長さに相当する十分に定義された期間t1の間、一定の温度T4oを有する。一定の温度T4oとは、最大温度変動が最大でも4K、好ましくは最大でも3K、さらに好ましくは最大でも2K、最も好ましくは最大でも1K、とりわけ最も好ましくは最大でも0.1Kであることを意味する。両基板の間隔は、この領域では一定であり、1mm~0mmの間、好ましくは100μm~0μmの間、さらにより好ましくは10μm~0μmの間、最も好ましくは1μm~0μmの間にある。本発明による特別な実施形態では、領域dにおいて両基板をさらに接近させることも可能である。ただし、この場合には、本来のボンディング過程のためにまだ十分な時間を残しておかなければならないことに注意すべきである。温度飽和領域dではさらに、下側の基板と上側の基板との間の温度差ΔTは一定のままである。この場合、温度差ΔTの変動は、4K未満、好ましくは3K未満、さらにより好ましくは2K未満、最も好ましくは1K未満、とりわけ最も好ましくは0.1K未満である。とりわけ温度差ΔTは、熱抵抗および/または熱源、とりわけ下側の基板ホルダ内のヒータの選択によって、および/またはヒートシンク、とりわけ冷却流体の選択によって正確かつ再現可能に調整することができる。 The bonding process according to the present invention is preferably carried out in the temperature saturation region d. The translational approach between the substrates is stopped, i.e. the spacing between the substrates remains constant. At this point, the upper first substrate has a constant temperature T4o for a well-defined period t1 corresponding to the length of the temperature saturation region d. The constant temperature T4o means that the maximum temperature fluctuation is 4K at the maximum, preferably 3K at the maximum, more preferably 2K at the maximum, 1K at the maximum, and 0.1K at the maximum. .. The distance between the two substrates is constant in this region, between 1 mm and 0 mm, preferably between 100 μm and 0 μm, even more preferably between 10 μm and 0 μm, and most preferably between 1 μm and 0 μm. In a particular embodiment according to the invention, it is also possible to bring both substrates closer together in region d. However, it should be noted that in this case, sufficient time must still be left for the original bonding process. Further, in the temperature saturation region d, the temperature difference ΔT between the lower substrate and the upper substrate remains constant. In this case, the variation of the temperature difference ΔT is less than 4K, preferably less than 3K, even more preferably less than 2K, most preferably less than 1K, and most preferably less than 0.1K. In particular, the temperature difference ΔT can be adjusted accurately and reproducibly by the choice of thermal resistance and / or heat source, especially the heater in the lower substrate holder, and / or by the choice of heat sink, especially the cooling fluid.
とりわけ、前記間隔d3が一定であって前記一定の温度T4oが生じている期間t1は、5秒より長く、好ましくは10秒より長く、さらに好ましくは15秒より長く、さらにより好ましくは20秒より長く、最も好ましくは40秒より長い。これによって有利には、ボンディング過程のために十分な時間が残される。 In particular, the period t1 in which the interval d3 is constant and the constant temperature T4o is generated is longer than 5 seconds, preferably longer than 10 seconds, still more preferably longer than 15 seconds, and even more preferably longer than 20 seconds. Long, most preferably longer than 40 seconds. This advantageously leaves ample time for the bonding process.
さらには、とりわけ前記期間t1、前記間隔d3、および/または前記一定の温度T4oは、前記第1のステップの前に、とりわけ経験によって、好ましくは前記第2の基板の温度を考慮して、かつ/または前記基板ホルダ、前記熱伝導体、および/または前記基板の材料を考慮して、かつ/または接近速度を考慮して決定される。したがって、とりわけ有利には、本方法の最適なパラメータを決定することが可能となるように、本方法を第1のステップの前に規定または較正することができる。 Furthermore, the period t1, the interval d3, and / or the constant temperature T4o, among other things, are performed prior to the first step, especially by experience, preferably taking into account the temperature of the second substrate. / Or determined in consideration of the substrate holder, the thermal conductor, and / or the material of the substrate and / or the approach speed. Therefore, with particular advantage, the method can be defined or calibrated prior to the first step so that the optimum parameters of the method can be determined.
ボンディング過程、とりわけヒュージョンボンディング過程は、とりわけ期間t1の長さ以下の期間t2を必要とする。本発明によるさらに重要な特徴は、ボンディング過程が、好ましくは所与の温度T4oにおける温度飽和領域dの期間内に実施されることである。このことは、第1の基板の温度が変化することなくボンディング過程を実施することができるという利点を有しており、これによって上で説明されたランアウト誤差を回避すること、少なくとも低減することが可能となる。 The bonding process, in particular the fusion bonding process, requires a period t2, particularly less than or equal to the length of the period t1. A more important feature according to the present invention is that the bonding process is preferably carried out within the period of the temperature saturation region d at a given temperature T4o. This has the advantage that the bonding process can be performed without changing the temperature of the first substrate, thereby avoiding, or at least reducing, the runout error described above. It will be possible.
これに続く冷却領域eでは、上側の第1の基板が、とりわけ指数関数的に冷却される。 In the cooling region e that follows, the upper first substrate is cooled particularly exponentially.
最後に、これに続く領域fでは、接近過程の前の第1の区分aにおける上側の第1の基板の初期温度よりも高い一定の飽和温度が生じる。ただし、この飽和温度は、一般的に下側の第2の基板または基板ホルダの温度よりも低い。温度T6oにおける領域fにおいてボンディング過程を実施することも考えられ得る。 Finally, in the region f that follows, a constant saturation temperature is generated that is higher than the initial temperature of the upper first substrate in the first section a before the approach process. However, this saturation temperature is generally lower than the temperature of the lower second substrate or substrate holder. It is also conceivable to carry out the bonding process in the region f at the temperature T6o.
好ましくは本発明による方法を使用する前に、温度・時間線図に関する正確な判断を得ることを可能にする全ての所要の物理的パラメータが求められる。本来のボンディング過程時に、両基板の最適なボンディングを可能にし、特に相応のスループットももたらすような温度・時間分布が生成されることが保証されるまで、物理的パラメータを変化させることによって、本発明による方法を変化させる必要がある。相応の熱質量、正しい冷却流体、正しい冷却流体圧力、正しい冷却流体流速、正しい接近分布などを有する、本発明による相応の熱伝導体を使用することにより、領域dにおける飽和温度T4o、領域dの期間t1、ならびに温度・時間線図の他の全ての所期の領域を、相応に調整することができる。 Preferably, before using the method according to the invention, all required physical parameters that make it possible to obtain an accurate judgment regarding the temperature / time diagram are sought. The present invention is made by varying the physical parameters during the original bonding process until it is guaranteed that a temperature / time distribution that allows optimal bonding of both substrates and also results in a reasonable throughput is produced. It is necessary to change the method by. By using the corresponding thermal conductors according to the invention, which have the corresponding heat mass, the correct cooling fluid, the correct cooling fluid pressure, the correct cooling fluid flow velocity, the correct approach distribution, etc., the saturation temperature T4o in the region d, the region d The period t1 and all other desired regions of the temperature / time diagram can be adjusted accordingly.
一旦、温度・時間挙動に対してシステムが較正されると、上側の第1の基板が十分に定義された時点に十分に定義された温度を有することも保証され、また、この温度に到達した開始時点から、とりわけ真空によって引き起こされる位置固定の曲げおよび/または解除によって本来のボンディング過程を実施するために十分に定義された時間を利用できることも保証される。既に領域dの早い時期からボンディングが可能であることによって、本発明の基礎である2つの重要な特徴が得られる。第1には、ボンディングを早期に開始することが可能となり、これによってスループットが大幅に増加する。第2には、十分に定義された期間内において基板が極めて一定の温度を有することが保証されている。これによって本発明によれば、従来技術において実によく知られているランアウト問題を完全に回避することが可能となる。領域dの期間中、両基板が実質的に一定の温度を有すること、およびボンディング過程の間、当該領域dの温度が実質的に変化しないことが保証されている。この関連において、上記の一定の温度の状態は、両基板が同一の温度を有していなければならないということを意味するわけではないことを改めて明示的に言及すべきである。両基板のうちの少なくとも一方を、予め比較的高温まで加熱することまたは比較的低温まで冷却することが非常に望ましいとすることができ、熱膨張を所期のように強制的に引き起こすことにより、所期の強制的な基板寸法が調整され、これによって初めて、両基板の両機能ユニットの一致がもたらされる。しかしながら、本発明によれば、これらの一旦調整された温度はボンディング過程の間一定に維持される。 Once the system was calibrated for temperature-time behavior, it was also ensured that the upper first substrate had a well-defined temperature at a well-defined time point, and this temperature was reached. It is also guaranteed that from the starting point, a well-defined time is available to perform the original bonding process, especially by position-fixing bending and / or release caused by vacuum. The fact that bonding is already possible from an early stage of the region d provides two important features that are the basis of the present invention. First, it allows early initiation of bonding, which significantly increases throughput. Second, it is guaranteed that the substrate will have a very constant temperature within a well defined period. This makes it possible to completely avoid the run-out problem, which is really well known in the prior art, according to the present invention. It is guaranteed that both substrates have a substantially constant temperature during the period of region d and that the temperature of region d does not change substantially during the bonding process. In this regard, it should be reiterated that the constant temperature conditions described above do not mean that both substrates must have the same temperature. It may be highly desirable to preheat at least one of both substrates to a relatively high temperature or to cool it to a relatively low temperature, by forcing thermal expansion as expected. The desired compulsory board dimensions are adjusted, which only results in the matching of both functional units on both boards. However, according to the present invention, these once-adjusted temperatures are kept constant during the bonding process.
上述した本発明による方法のいずれにおいても、基板を前処理および/または後処理することができる。前処理として、特に以下のものが考えられる。
●クリーニング、とりわけ
○化学的プロセスによって、とりわけ
・液体によって、とりわけ
●水によって
○物理的プロセスによって、とりわけ
・スパッタリングによって、とりわけ
●イオンによって、とりわけ
○プラズマ活性化によって
●非帯電粒子によって
●研削
●研磨
●アライメント、とりわけ
○機械式のアライメント、および/または
○光学式のアライメント
●堆積
In any of the methods according to the invention described above, the substrate can be pretreated and / or posttreated. The following can be considered as pretreatment.
● Cleaning, especially ○ By chemical processes, especially by liquids, especially
● By water ○ By physical process, especially by sputtering
● By ions, especially
○ By plasma activation
● By uncharged particles ● Grinding ● Polishing ● Alignment, especially ○ Mechanical alignment and / or ○ Optical alignment ● Sedimentation
後処理として、とりわけ以下のものが考えられる。
●クリーニング、とりわけ
○化学的プロセスによって、とりわけ
・液体によって、とりわけ
●水によって
○物理的プロセスによって、とりわけ
・スパッタリングによって、とりわけ
●イオンによって
●非帯電粒子によって
●研削
●研磨
●検査、とりわけ
○ボンディング界面の検査、とりわけ
・欠陥箇所(ボイド)に関して
・アライメント誤差に関して、とりわけ
●ランアウト誤差に関して
●熱処理、とりわけ
○炉内
○ヒータプレート
●とりわけ国際公開第2013/091714号(WO2013/091714A1)に記載の方法による、基板の再剥離
The following can be considered as post-processing.
● Cleaning, especially ○ By chemical processes, especially by liquids, especially
● By water ○ By physical process, especially by sputtering
● By ions
● By uncharged particles ● Grinding ● Polishing ● Inspection, especially ○ Bonding interface inspection, especially ・ Regarding defective parts (voids) ・ Regarding alignment error, especially
● Regarding run-out error ● Heat treatment, especially ○ In-furnace ○ Heater plate ● Especially, re-peeling of the substrate by the method described in International Publication No. 2013/0911714 (WO2013 / 091714A1)
本発明による実施形態によれば、特に従来技術で知られているランアウト誤差を補償することが可能となる。したがって、場合によっては基板同士を特別な方法によって、とりわけ国際公開第2013/091714号(WO2013/091714A1)に記載の方法によって再び互いに剥離させることを目的として、アラインメント精度が十分に最小化されたことを確認するために、両基板のボンディング後にボンディング界面を検査することが特に重要である。これによって両基板または基板積層体全体の喪失が回避され、必要に応じて基板を改めて互いにアライメントおよびボンディングすることができる。 According to the embodiment of the present invention, it is possible to compensate for the run-out error, which is particularly known in the prior art. Therefore, in some cases, the alignment accuracy has been sufficiently minimized for the purpose of separating the substrates from each other again by a special method, particularly by the method described in International Publication No. 2013/091714 (WO2013 / 091714A1). It is especially important to inspect the bonding interface after bonding both substrates to confirm. This avoids the loss of both boards or the entire board laminate and allows the boards to be realigned and bonded to each other as needed.
本発明による装置または本発明によるプロセスによって達成可能なアライメント精度は、100μmより良好であり、好ましくは10μmより良好であり、さらにより好ましくは500nmより良好であり、最も好ましくは200nmより良好であり、とりわけ最も好ましくは100nmより良好である。アラインメント精度は、とりわけ基板積層体のどの位置においても同じであり、このことは、ランアウト誤差の補償の成功の決定的かつ特徴的な特徴である。この場合、基板積層体の全てのアライメント誤差を平均することによって算出されるアライメント精度の標準偏差は、1μm未満、好ましくは500nm未満、さらにより好ましくは250nm未満、最も好ましくは100nm未満、とりわけ最も好ましくは50nm未満である。 The alignment accuracy achievable by the apparatus according to the invention or the process according to the invention is better than 100 μm, preferably better than 10 μm, even more preferably better than 500 nm, and most preferably better than 200 nm. Most preferably, it is better than 100 nm. Alignment accuracy is the same, especially at any position in the substrate laminate, which is a decisive and characteristic feature of successful runout error compensation. In this case, the standard deviation of the alignment accuracy calculated by averaging all the alignment errors of the substrate laminate is less than 1 μm, preferably less than 500 nm, even more preferably less than 250 nm, most preferably less than 100 nm, most preferably less than 100 nm. Is less than 50 nm.
本発明によるボンディング過程の後、任意選択であるが実施することが好ましい検査の結果が肯定的であった場合には、必要に応じて基板が熱処理される。この熱処理は、とりわけヒュージョンボンディングされた基板のために必要である。この場合には、熱処理によってもはや解離不可能な両基板のパーマネントボンディング(永久接合)が生成される。本発明によるボンディング過程後に基板の熱処理がもはや必要でない場合には、それに応じて熱処理は省略される。 After the bonding process according to the present invention, if the result of the inspection, which is optional but preferable to be carried out, is positive, the substrate is heat-treated as necessary. This heat treatment is especially necessary for fusion bonded substrates. In this case, the heat treatment produces permanent bonding of both substrates that can no longer be dissociated. If heat treatment of the substrate is no longer required after the bonding process according to the invention, heat treatment is omitted accordingly.
本発明による方法では、両基板のボンディングは、領域dにおいてとりわけ上側の第1の基板を変形させることによって実施される。変形は、好ましくは既に説明された変形要素によって中心において実施される。本発明による第1のプロセスの利点は、特にスループットにある。ボンディング過程は既に区分dにおいて実施されており、上側の第1の基板の冷却を待つ必要がないので、スループット(すなわち本発明による実施形態を用いて単位時間当たりに処理できる基板の個数)を従来技術に比べて増加させることが可能である。上側の第1の基板の冷却は、主として周囲雰囲気によって、および/または下側の第2の基板または下側の第2の基板ホルダによって予め決められた周囲温度に適合させるプロセスである。 In the method according to the invention, the bonding of both substrates is carried out by deforming the first substrate, which is particularly upper in the region d. The deformation is preferably carried out in the center by the deformation elements already described. The advantage of the first process according to the present invention is particularly throughput. Since the bonding process has already been performed in Category d and there is no need to wait for the upper first substrate to cool, the throughput (ie, the number of substrates that can be processed per unit time using the embodiments according to the invention) has been conventionally determined. It can be increased compared to technology. Cooling the upper first substrate is a process of adapting to an ambient temperature determined primarily by the ambient atmosphere and / or by the lower second substrate or the lower second substrate holder.
本発明による別のプロセスでは、両基板のボンディングは、領域fにおいてとりわけ上側の第1の基板を変形させることによって実施される。変形は、好ましくは既に説明された変形要素によって中心において実施される。 In another process according to the invention, the bonding of both substrates is carried out by deforming the first substrate, especially on the upper side, in the region f. The deformation is preferably carried out in the center by the deformation elements already described.
温度T4o、T6oは、本発明による基板ホルダによって、とりわけ熱質量、冷却要素および装置、冷却プロセス、冷却流体などによって変化され、かつ最適に適合されることができる。 The temperatures T4o, T6o can be varied and optimally adapted by the substrate holder according to the invention, in particular by thermal mass, cooling elements and equipment, cooling process, cooling fluid and the like.
本発明のさらなる利点、特徴、および詳細は、好ましい実施例の以下の説明から、図面に基づいて明らかとなる。 Further advantages, features, and details of the present invention will become apparent with reference to the drawings from the following description of preferred embodiments.
図面中、同一の構成部分および同一機能を有する構成部分には、同じ符号が付されている。 In the drawings, the same components and components having the same function are designated by the same reference numerals.
図1は、位置固定部4および熱伝導体2を有する基板ホルダ1の本発明による第1の実施形態を示す。位置固定部4は、位置固定要素5、特に真空通路、さらにより好ましくは個別制御可能な真空通路を有し、これらの位置固定要素5によって、図示されていない第1の基板11を位置固定表面4oに位置固定させることができる。熱伝導体2は、好ましくは複数のリブ3を有し、これらのリブ3は、該リブ3のリブ表面3oを介して図示されていない流体に熱を放出することができる。熱伝導体2は、境界面6を介して位置固定部4に結合されている。
FIG. 1 shows a first embodiment of the present invention of a
図2は、本発明による基板ホルダ1’の本発明による好ましい第2の実施形態を示し、この基板ホルダ1’は、位置固定部としても同時に機能する熱伝導体2’を有する。換言すれば、熱伝導体2’と位置固定部とは、図1の実施形態とは異なり1つの部分から、すなわち一体的に形成されている。これによって位置固定部と熱伝導体2’との間に境界面が存在しなくなるので、有利には、図示されていない第1の基板11からリブ3の周囲を流れる図示されていない流体への熱の輸送を妨げる熱障壁が存在しなくなっている。 FIG. 2 shows a preferred second embodiment of the present invention of the substrate holder 1'according to the present invention, wherein the substrate holder 1'has a thermal conductor 2'that also functions as a position fixing portion. In other words, the heat conductor 2'and the position fixing portion are formed from one portion, that is, integrally, unlike the embodiment of FIG. 1. This eliminates the presence of a interface between the position fixation and the thermal conductor 2', which is advantageous to the fluid from the first substrate 11 (not shown) flowing around the rib 3 (not shown). There are no thermal barriers that impede the transport of heat.
図3は、本発明による基板ホルダ1’’の本発明によるさらにより好ましい第3の実施形態を示し、この基板ホルダ1’’は、熱伝導体2’’に孔部7を有する。孔部7は、図示されていない基板11の変形要素8、とりわけスパイクが、図示されていない裏側11oにアクセスできるようにするためのものである。本実施形態は、その他の点については図2の実施形態と一致しているので、図2の説明が参照される。
FIG. 3 shows an even more preferred third embodiment of the
図4は、本発明による基板ホルダ1’’’の本発明による第4の実施形態を示し、この基板ホルダ1’’’は、図示されていない第1の基板11の図示されていない裏側(図示せず)との接触を最小化するために、図3に記載された特徴に加えてさらに位置固定表面4oに凹部9を有する。この最小化は、位置固定表面4oによる基板の汚染、特に金属汚染を回避するために役立つ。この最小化はさらに、粒子による基板の局所的な変形を回避するために役立つ。熱的結合を増加させるために凹部9を、熱容量および/または熱伝導率の高い流体で満たすことができる。 FIG. 4 shows a fourth embodiment according to the present invention of the substrate holder 1'' according to the present invention, wherein the substrate holder 1'''' is the back side (not shown) of the first substrate 11 (not shown). In addition to the features described in FIG. 3, the position fixing surface 4o also has a recess 9 to minimize contact with (not shown). This minimization helps to avoid substrate contamination, especially metal contamination, by the position-fixed surface 4o. This minimization also helps to avoid local deformation of the substrate by the particles. The recess 9 can be filled with a fluid having high heat capacity and / or thermal conductivity to increase thermal coupling.
図5は、本発明による基板ホルダ1IVの本発明による第5の実施形態を示し、この基板ホルダ1は、図示されていない第1の基板11の図示されていない裏側との接触を最小化するために、かつ第1の基板11のほぼ全面的な支持を保証するために、図4に記載された特徴に加えて突起および/または針および/または柱10で満たされた凹部9を有する。この最小化も同様にして汚染、とりわけ金属汚染を回避するために役立つ。熱的結合を増加させるために凹部9を、熱容量および/または熱伝導率の高い流体で満たすことができる。
FIG. 5 shows a fifth embodiment of the present invention of the
図6aは、本発明による例示的な方法の第1ステップを示し、この第1のステップでは始めに第1の上側の基板11が、第2の下側の基板11’から間隔d1を置いて位置している。このプロセスステップは、対応するT-t線図の、既に上で定義された領域aにおいて実施される。両基板11,11’が互いに接近され、このとき、下側の第2の基板11’または下側の基板ホルダ14による上側の第1の基板11への熱的影響は、既に上で説明したように間隔が比較的大きいことによって最大限に排除されている。
FIG. 6a shows a first step of an exemplary method according to the invention, in which the first
これに続くステップでは、両基板11,11’が間隔d2まで互いに接近される。この時点では本システムは、既に上で定義された領域bに、すなわちいわゆる粗大接近領域に位置しており、この領域bでは既に、とりわけ下側の基板11’の熱放射によって、上側の第1の基板11の比較的わずかな加熱が実施される。
In the subsequent step, both
これに続くステップでは、両基板11,11’が、既に上で説明したように十分に定義された間隔d3までさらに互いに接近される。この時点では本システムは、既に上で定義された領域cに、すなわちいわゆる近接接近領域に位置しており、この領域cでは、とりわけ熱放射および熱対流によって、上側の第1の基板11の急激な加熱が実施される。
In the steps that follow, both
これに続く図6dのステップでは、両基板11,11’のボンディング過程が実施される。両基板11,11’は、一定して間隔d3を置いて位置している。この時点では基板11,11’は、既に上で定義された領域dに、すなわちいわゆるボンディング領域に位置しており、この領域dでは、温度T4oが期間t1にわたって一定である。
In the subsequent step of FIG. 6d, the bonding process of both
これに続く図6eのステップでは、既に上で定義された領域eにおいて、基板11および/または11’の冷却が実施される。冷却自体は、上側の第1の基板11の温度を、周囲温度に、とりわけ周囲雰囲気の温度および/または下側の第2の基板11’または下側の基板ホルダ14の温度に適合させる過程である。しかしながら、この時点では両基板11,11’の結合は、とりわけプレボンディングによって既に実施されている。
Subsequent steps in FIG. 6e perform cooling of the
既に上で定義された領域fをさらなる図面によって図示することは省略する。なぜなら、ここから重要な知識を得ることはできないからである。明細書の記載において既に開示されているように、ボンディング過程を、領域fにおける一定の温度領域において実施することも可能である。 It is omitted that the region f already defined above is illustrated by further drawings. Because you can't get important knowledge from here. As already disclosed in the description of the specification, it is also possible to carry out the bonding process in a constant temperature region in region f.
図7aは、上側の水平軸上に示された、既に上で定義された6つの特徴的な温度領域a,b,c,d,e,fを有する、既に上で説明された温度・時間線図を示す。下側の水平軸上には、時間tが秒単位で示されており、左側の垂直軸上には、温度Tがケルビン単位でプロットされている。右側の垂直軸上には、両基板11と11’の間のスケーリングされていない間隔d(a.u.)がプロットされている。さらには、4つの温度グラフ12,12’,12’’,および12’’’が記入されている。温度グラフ12は、第1の基板11の温度を表す。温度グラフ12’は、冷却流体の温度Tkに多かれ少なかれ一致している熱伝導体2,2’,2’’,2’’’,2IVの温度を表す。この温度は、両基板11,11’が互いに接近される前は、上側の基板11の温度T1oにもほぼ一致している。温度グラフ12’’は、第2の基板11’の温度を表す。温度グラフ12’’’は、下側の基板ホルダ14の温度を表す。第2の基板11’と下側の基板ホルダ14との間の熱的結合が十分に大きい場合には、これらの2つの温度はほぼ同一となる。
FIG. 7a shows the temperature and time already described above, having the six characteristic temperature regions a, b, c, d, e, f already defined above, shown on the upper horizontal axis. The diagram is shown. On the lower horizontal axis, the time t is shown in seconds, and on the left vertical axis, the temperature T is plotted in Kelvin. On the right vertical axis, the unscaled spacing d (a.u.) between both
さらには、両基板11および11’の間の間隔dを表す間隔グラフ13も示されている。間隔グラフ13は、もっぱらシンボルとしてのみ解釈されるべきであり、実際には、基板を負に加速、すなわち制動しなければならないので、領域cから領域dへの比較的穏やかな移行を示すことになる。とりわけ基板は、接近段階において自身の速度を変化させることもできる。温度飽和領域dにおける下側の基板の温度と上側の基板の温度との間の温度差ΔTは、熱抵抗によって、および/または熱源、とりわけ下側の試料ホルダ14内のヒータによって、および/またはヒートシンク、とりわけ冷却流体によって、正確かつ再現可能に調整することができる。
Further, an
本発明による例示的な方法の実施中における温度グラフ12および間隔グラフ13の推移は、以下に示す通りである:本方法の開始時に、すなわちaが付された領域(いわゆる温度領域a)における時間スケールの最も左側において、両基板11,11’が互いに接近され、これによって基板11,11’の間の間隔dが減少する。本方法の開始時には、両基板11,11’の間の間隔はd1であり、この間隔d1が連続的に低減される。温度領域aでは、第1または上側の基板11の温度は、実質的に一定してT1oである。
The transitions of the
温度領域aには時間的に見て温度領域bが続き、この温度領域bでは、基板11の温度が比較的わずかに上昇し(温度曲線区間T2o)、その一方で、基板11,11’の間の間隔dはさらに減少する。
The temperature region a is followed by a temperature region b in terms of time, and in this temperature region b, the temperature of the
温度領域bには時間的に見て温度領域cが続き、この温度領域cでは、基板11の温度が温度領域bに比べて比較的大きく増加し(温度曲線区間T3o)、その一方で、基板11,11’の間の間隔dはさらに減少する。温度領域cの最後には、基板11,11’の間に実質的に一定の最終的な間隔dが実現されている。
The temperature region b is followed by a temperature region c in terms of time, and in this temperature region c, the temperature of the
温度領域cには温度領域dが続き、この温度領域dでは、間隔dが一定のままであり、かつ第1の基板11の温度T4oが実質的に一定である。下側の基板11’と上側の基板11との間の温度差ΔTについても同じことが当てはまる。この一定の温度T4oは、時間t1の間、維持される。とりわけ、温度領域c(いわゆる近接接近領域c)から温度領域d(いわゆるボンディング領域d)への移行が急激に実施されるということを指摘しておく。
The temperature region c is followed by a temperature region d, in which the interval d remains constant and the temperature T4o of the
温度領域dには温度領域eが続き、この温度領域eでは、基板11の温度が低下し(温度曲線区間T5o)、その一方で、間隔dは実質的に一定のままである。これに続く温度領域fでは、基板11の温度は実質的に一定である(温度曲線区間T6oを参照)。
The temperature region d is followed by a temperature region e, in which the temperature of the
図7bは、既に上で定義された6つの特徴的な温度領域a,b,c’,d’,e,fを有する、別の温度・時間線図を示す。間隔グラフ13は、図7aの間隔グラフと同一である。温度グラフ12は、温度領域a,b,c,fにおいては図7aの温度グラフに一致しているので、これらの領域については図7aの説明が参照される。図7aとの相違点は、図7aの領域cおよびdと比較してみると、領域c’およびd’において明らかとなる。この例では、近接接近領域c’からボンディング領域d’への移行は、図7aのように急激に実施されるのではなく連続的に緩やかに実施される。
FIG. 7b shows another temperature / time diagram with the six characteristic temperature regions a, b, c', d', e, f already defined above. The
図8は、図I.~VII.において、上側の基板11の上側の構造体15と下側の基板11’の下側の構造体15’との間に起こり得る、既に上で説明または定義された複数のオーバレイ誤差を示し、これらのうちの少なくともいくつかは本発明を用いて回避することができる。オーバレイ誤差のいくつかは、ランアウト(run-out)誤差という名称で知られている。
FIG. 8 shows FIG. ~ VII. Shown are the plurality of overlay errors already described or defined above that may occur between the
図8-I.のオーバレイ誤差は、上側の構造体15と下側の構造体15’との重ね合わせの非一致であり、ランアウト誤差の典型的な結果である。構造体15,15’は、形状的には同じであるが、一致していない。この種類の誤差の原因は、(i)基板11,11’上の構造体15,15’が根本的に不正確に製造されていること、および/または(ii)ボンディング前における、とりわけ基板11,11’の歪みによる構造体15,15’の歪み、および/または(iii)ボンディング中における、とりわけ基板11,11’の歪みによる構造体15,15’の歪み、である。さらなる別の可能性は、両基板11,11’が互いに全体的に変位することにある。ただし、この場合には、2つの基板の互いの全体的なアライメントに関する基本的なアライメント問題が原因となっており、ランアウトという概念とはほとんど関連していない。
FIG. 8-I. The overlay error of is a mismatch of the overlay of the
図8-II.は、互いに対して回転する2つの構造体15および15’のさらなる別のオーバレイ誤差を示す。両構造体15および15’の互いの回転は誇張されて図示されており、実際には数度だけ、特に数10分の1度だけしか生じていない。このような回転が生じるのは、(i)両構造体15,15’が両基板11,11’上に正しく製造されなかった場合、および/または(ii)ボンディング過程の前に、構造体15,15’の近傍にとりわけ局所的な歪みが生じ、これに対応してとりわけ局所的に両構造体15,15’が互いに回転される場合、および/または(iii)ボンディング過程の間に、構造体15,15’の近傍にとりわけ局所的な歪みが生じ、これに対応してとりわけ局所的に両構造体15,15’が互いに回転される場合、である。さらなる別の可能性は、両基板11,11’が互いに全体的にねじれることにある。この場合には、8-II.の形式のオーバレイ誤差は、両基板11,11’の間の複数の位置において、とりわけ内側から外側に向かって放射状に増加していることが見て取れることとなるはずである。
FIG. 8-II. Shows yet another overlay error of the two
図8-III.~8-VII.のオーバレイ誤差は、主として、(i)不正確な製造によって生じるスケーリング誤差、および/または(ii)ボンディング前における、とりわけ基板11,11’の歪みによる構造体15,15’の歪みによって生じるスケーリング誤差、および/または(iii)ボンディング中における、とりわけ基板11,11’の歪みによる構造体15,15’の歪みによって生じるスケーリング誤差である。これらは、典型的にはランアウト誤差とは呼ばれない。
Figure 8-III. -8-VII. Overlay errors are primarily due to (i) scaling errors caused by inaccurate manufacturing and / or (ii) scaling errors caused by distortion of
図9は、熱抵抗Rth1~Rth8の上で説明された等価回路図を有する、本発明による基板ホルダの、縮尺通りでない部分概略断面図を示す。とりわけ加熱装置(図示せず)を有する下側の基板ホルダ14から下側の基板11’への熱伝導を最大化することができるようにするために、熱抵抗Rth1~Rth3をできるだけ最小化すべきである。これによって本発明によれば、下側の基板11’の効率的かつ迅速な加熱が可能となる。さらには、一連の最小の熱抵抗によって、下側の基板11’の温度T1uの非常に迅速な変化を実現することができる。
FIG. 9 shows a schematic cross-sectional view of a non-scaled portion of the substrate holder according to the invention, which has the equivalent circuit diagram described above the thermal resistances Rth1 to Rth8. In particular, the thermal resistances Rth1 to Rth3 should be minimized as much as possible in order to be able to maximize heat conduction from the
熱抵抗Rth4は、本発明によれば最大であるべきである。熱抵抗Rth4が無限大である純粋に理論上の理想的なケースであれば、下側の基板11’から上側の基板11に熱量が到達することはない。熱抵抗Rth4の有限性により、無視できないわずかな熱量が、常に下側の基板11’から上側の基板11に到達する。両基板11と11’の間の真空または特別な混合気の選択によって、熱抵抗Rth4を比較的容易かつ正確に調整することができる。
The thermal resistance Rth4 should be maximum according to the present invention. In a purely theoretically ideal case where the thermal resistance Rth4 is infinite, the amount of heat does not reach the
本発明によれば、冷却流体、とりわけ雰囲気と、上側の基板11との間の熱伝導をできるだけ最大に、ひいては効率的にすることができるようにするために、熱抵抗Rth5~Rth8も最小化するべきである。温度飽和領域dにおけるボンディング過程の間、上側の温度T4oを、または上側の基板11の温度T4oと下側の基板11’の温度T1uとの間の温度差ΔTを、正確に、所期のように、かつ再現可能に調整することが、本発明によれば決定的に重要である。このことは、本発明によれば特に、(i)熱抵抗Rth1~Rth8のうちの少なくとも1つを所期のように選択すること、および/または(ii)とりわけ下側の基板ホルダ14内の加熱装置を用いて下側の温度T1u~Tpを調整すること、および/または(iii)とりわけ本発明による冷却流体を用いて上側の温度T1o~Tkを調整することによって実現される。
According to the present invention, the thermal resistances Rth5 to Rth8 are also minimized so that the heat conduction between the cooling fluid, especially the atmosphere, and the
1,1’,1’’,1’’’,1IV 基板ホルダ
2,2’,2’’,2’’’,2IV 熱伝導体
3 リブ
3o リブ表面
4 位置固定部
4o 位置固定表面
5 位置固定要素
6 境界面
7 孔部
8 変形要素
9 凹部/くぼみ部/へこみ部
10 突起/針
11,11’ 基板
12,12’,12’’,12’’’ 温度グラフ
13 間隔グラフ
14 下側の基板ホルダ
15,15’ 構造体
d1,d2,d3 基板間隔
t1 期間
T1o,T2o,T3o 温度/温度曲線区間
T4o,T5o 温度/温度曲線区間
Tp 基板ホルダの温度
Tw 熱伝導体の温度
Tk 冷却流体の温度
a,b,c,c’,d,d’,e,f 温度領域
1,1', 1'', 1''', 1 IV
Claims (2)
第1のステップにおいて、前記第1の基板(11)を保持する基板ホルダを周囲温度に熱結合させると共に、前記第2の基板(11’)を保持する基板ホルダ内の加熱装置によって前記第2の基板(11’)の温度(T1u)を前記第1の基板(11)の温度(T1o)よりも高くし、前記第1および第2の基板(11,11’)同士を互いに接近させ、これによって前記第1の基板(11)の温度(T2o,T3o)が前記第2の基板(11’)の熱放射によって上昇し、
第2のステップにおいて、前記第1および第2の基板(11,11’)同士の接近を停止し、前記第1および第2の基板(11,11’)同士の間の間隔(d3)を一定に維持し、当該間隔(d3)が一定の場合に、当該間隔(d3)の真空によって、または当該間隔(d3)の流体の選択によって、当該間隔(d3)の熱抵抗(Rth4)を調整し、かつ前記第1の基板(11)を保持する前記基板ホルダの熱伝導体によって、少なくとも所定の期間(t1)にわたって前記第1の基板(11)に一定の温度(T4o)を生じさせて、前記第1の基板(11)の温度(T4o)よりも高い第2の基板(11’)の温度(T1u)と前記第1の基板(11)の温度(T4o)との温度差(ΔT)を一定に維持し、
第3のステップにおいて、前記期間(t1)内に、両前記第1および第2の基板(11,11’)を少なくとも一時的に互いにボンディングする、
方法。 In the method for bonding the first substrate (11) to the second substrate (11'),
In the first step, the substrate holder holding the first substrate (11) is thermally coupled to the ambient temperature, and the second substrate is heated by the heating device in the substrate holder holding the second substrate (11'). The temperature (T1u) of the substrate (11') is made higher than the temperature (T1o) of the first substrate (11), and the first and second substrates (11, 11') are brought close to each other. As a result, the temperature (T2o, T3o) of the first substrate (11) rises due to the heat radiation of the second substrate (11') .
In the second step, the approach between the first and second substrates (11, 11') is stopped, and the distance (d3) between the first and second substrates (11, 11') is set. Keep constant and adjust the thermal resistance (Rth4) of the interval (d3) by vacuum at the interval (d3) or by selecting the fluid at the interval (d3) when the interval (d3) is constant. However , the thermal conductor of the substrate holder holding the first substrate (11) causes the first substrate (11) to generate a constant temperature (T4o) for at least a predetermined period (t1). , The temperature difference (ΔT) between the temperature (T1u) of the second substrate (11') higher than the temperature (T4o) of the first substrate (11) and the temperature (T4o) of the first substrate (11). ) To be constant,
In the third step, both the first and second substrates (11, 11') are bonded to each other at least temporarily within the period (t1).
Method.
請求項1記載の方法。 The period (t1) in which the interval (d3) is constant and the constant temperature (T4o) is generated is made longer than 5 seconds.
The method according to claim 1.
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