JP7526450B1 - Semiconductor wafer bonding apparatus and bonding method - Google Patents
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Abstract
【課題】簡易な構成により、半導体製造プロセスにおける半導体ウエーハ同士の接合時において半導体ウエーハの位置ずれを防止する半導体ウエーハの接合装置及び接合方法を提供する。【解決手段】半導体ウエーハW1、W2を支持するステージ36、38上で相互に対向する位置に一対の静電チャック80を配置し、静電チャック80に半導体ウエーハW1、W2を吸着させた状態で、相互に対向した半導体ウエーハW1、W2同士を接合する。特に静電チャック80は正及び負の電圧を印加可能な双曲型であり、相互に対向した半導体ウエーハW1、W2が逆極性となる状態(正と負に帯電した状態)で、半導体ウエーハW1、W2同士を接合する。【選択図】図12[Problem] To provide a semiconductor wafer bonding apparatus and bonding method that uses a simple configuration to prevent misalignment of semiconductor wafers when bonding the semiconductor wafers together in a semiconductor manufacturing process. [Solution] A pair of electrostatic chucks 80 are arranged at positions facing each other on stages 36, 38 that support the semiconductor wafers W1, W2, and the facing semiconductor wafers W1, W2 are bonded together while the semiconductor wafers W1, W2 are attracted to the electrostatic chucks 80. In particular, the electrostatic chuck 80 is a hyperbolic chuck to which positive and negative voltages can be applied, and the facing semiconductor wafers W1, W2 are bonded together while the facing semiconductor wafers W1, W2 are in a state of opposite polarity (positively and negatively charged state). [Selected Figure] Figure 12
Description
本発明は、例えば半導体製造プロセスにおいて半導体ウエーハ同士を接合するための半導体ウエーハの接合装置及び接合方法に関する。 The present invention relates to a semiconductor wafer bonding apparatus and method for bonding semiconductor wafers together, for example, in a semiconductor manufacturing process.
従来の半導体製造プロセスの一部であるハイブリッドボンディングは、例えば、プラズマ処理工程と、洗浄工程と、乾燥工程と、接合工程と、を有している。 Hybrid bonding, which is part of the conventional semiconductor manufacturing process, includes, for example, a plasma treatment step, a cleaning step, a drying step, and a bonding step.
例えば、プラズマ処理工程では、半導体ウエーハに対して大気圧プラズマ又は真空プラズマを作用させて半導体ウエーハの表面を活性化させる。洗浄工程では、例えば、半導体ウエーハを中心軸回りに回転させながら、洗浄液(純水又は薬液)を滴下して半導体ウエーハの表面を洗浄する。乾燥工程では、半導体ウエーハを中心軸回りに高速で回転させながら遠心力を利用して半導体ウエーハの表面の水滴を散らす。接合工程では、プラズマ処理工程から乾燥工程を経た上下2枚の半導体ウエーハ同士を対向させて接合装置により接合する。 For example, in the plasma treatment process, atmospheric pressure plasma or vacuum plasma is applied to the semiconductor wafer to activate the surface of the semiconductor wafer. In the cleaning process, for example, the semiconductor wafer is rotated around its central axis while a cleaning liquid (pure water or chemical liquid) is dropped onto it to clean the surface of the semiconductor wafer. In the drying process, the semiconductor wafer is rotated around its central axis at high speed while centrifugal force is used to disperse water droplets on the surface of the semiconductor wafer. In the bonding process, the upper and lower semiconductor wafers that have undergone the plasma treatment process and the drying process are placed facing each other and bonded by a bonding device.
ここで、従来の接合装置では、相互対向して配置された平面状のステージ上に半導体ウエーハを載置し、相互に対向した一対の半導体ウエーハの一方の中心をセンタープッシュピン(ロッド)で押圧することにより、半導体ウエーハ同士を接合していた(特許文献1参照)。 Here, in conventional bonding devices, semiconductor wafers are placed on planar stages arranged opposite each other, and the center of one of the pair of opposing semiconductor wafers is pressed with a center push pin (rod) to bond the semiconductor wafers together (see Patent Document 1).
しかしながら、ロッドで半導体ウエーハを押圧する過程で半導体ウエーハに応力集中が作用するとともに半導体ウエーハが撓み、半導体ウエーハの品質が悪化する技術問題が生じていた。特にSiCウエーハは硬くて脆いため、SiCウエーハが撓む過程で致命的な品質劣化が生じることがあった。 However, in the process of pressing the semiconductor wafer with the rod, stress concentration acts on the semiconductor wafer, causing it to bend, resulting in a technical problem of deterioration in the quality of the semiconductor wafer. In particular, because SiC wafers are hard and brittle, fatal quality degradation can occur when the SiC wafer bends.
なお、SiCウエーハとは、シリコン(Si)と炭素(C)とで構成される化合物半導体材料をいう。 In addition, a SiC wafer is a compound semiconductor material composed of silicon (Si) and carbon (C).
一方、接合工程では、例えば、一方の半導体ウエーハが他方の半導体ウエーハに対して反発力が生じる場合、両者の接合時に位置ずれが生じ、半導体ウエーハ同士の接合精度が低下する問題があった。 On the other hand, in the bonding process, for example, if a repulsive force occurs between one semiconductor wafer and the other, a positional misalignment occurs when the two wafers are bonded, which reduces the bonding accuracy of the semiconductor wafers.
そこで、本発明は、上記課題に鑑み、簡易な構成により、半導体製造プロセスにおける半導体ウエーハ同士の接合時における位置ずれを防止するウエーハ接合装置及びウエーハ接合方法を提供することを目的とする。 In view of the above problems, the present invention aims to provide a wafer bonding apparatus and a wafer bonding method that have a simple configuration and prevents misalignment when bonding semiconductor wafers together in the semiconductor manufacturing process.
第1の発明は、半導体ウエーハを支持するステージ上で相互に対向する位置に一対の静電チャックを配置し、前記静電チャックに前記半導体ウエーハを吸着させた状態で、相互に対向した前記半導体ウエーハ同士を接合する半導体ウエーハの接合装置であって、
前記静電チャックは正及び負の電圧を印加可能な双曲型であり、相互に対向した前記静電チャックの一方側と他方側には絶対値がそれぞれ異なる逆極性の電圧を印加し、相互に対向した前記半導体ウエーハが逆極性となる状態で電位差を生じさせることにより、
一対の前記静電チャックにより保持された前記半導体ウエーハ同士が、真空環境下においてピストンロッドを用いず、ファンデルワールス力とクーロン力とにより相互に引き合い接合する。
A first invention is a semiconductor wafer bonding apparatus that disposes a pair of electrostatic chucks at positions facing each other on a stage that supports semiconductor wafers, and bonds the facing semiconductor wafers together in a state in which the semiconductor wafers are attracted to the electrostatic chucks,
The electrostatic chuck is a hyperbolic type to which positive and negative voltages can be applied, and voltages of opposite polarities having different absolute values are applied to one side and the other side of the electrostatic chucks facing each other, thereby generating a potential difference in a state in which the semiconductor wafers facing each other have opposite polarities,
The semiconductor wafers held by the pair of electrostatic chucks are attracted to each other and joined by van der Waals force and Coulomb force in a vacuum environment without using a piston rod .
第2の発明は、半導体ウエーハを支持するステージ上で相互に対向する位置に一対の静電チャックを配置し、前記静電チャックに前記半導体ウエーハを吸着させた状態で、相互に対向した前記半導体ウエーハ同士を接合する半導体ウエーハの接合装置であって、
一方の前記静電チャックは相互に隣接する複数の内部電極を備えた双極型であり、隣接する前記内部電極には相互に極性の大きさの絶対値が異なる逆極性の電圧を印加し、
他方の前記静電チャックは相互に隣接する複数の内部電極を備えた双極型であり、隣接する前記内部電極には相互に極性の大きさの絶対値が異なる逆極性の電圧を印加し、かつ対向配置した一方の前記静電チャックの内部電極とは逆極性の電圧を印加し、
一方の前記静電チャックに保持された前記半導体ウエーハと、他方の前記静電チャックに保持された前記半導体ウエーハとが逆極性となる状態で電位差を生じさせることにより、
一対の前記静電チャックにより保持された前記半導体ウエーハ同士が、真空環境下においてピストンロッドを用いず、ファンデルワールス力とクーロン力とにより相互に引き合い接合する。
A second invention is a semiconductor wafer bonding apparatus that disposes a pair of electrostatic chucks at positions facing each other on a stage that supports semiconductor wafers, and bonds the facing semiconductor wafers together in a state in which the semiconductor wafers are attracted to the electrostatic chucks,
One of the electrostatic chucks is a bipolar type having a plurality of internal electrodes adjacent to each other, and voltages of opposite polarities, the absolute values of which are different from each other, are applied to the adjacent internal electrodes,
the other electrostatic chuck is a bipolar type having a plurality of mutually adjacent internal electrodes, and voltages of opposite polarities, the absolute values of which are different from each other, are applied to the adjacent internal electrodes, and a voltage of opposite polarity is applied to the internal electrodes of the one electrostatic chuck disposed opposite to each other;
A potential difference is generated in a state in which the semiconductor wafer held by one electrostatic chuck and the semiconductor wafer held by the other electrostatic chuck have opposite polarities ,
The semiconductor wafers held by the pair of electrostatic chucks are attracted to each other and joined by van der Waals force and Coulomb force in a vacuum environment without using a piston rod .
第3の発明は、半導体ウエーハを支持するステージ上で相互に対向する位置に一対の静電チャックを配置し、前記静電チャックに前記半導体ウエーハを吸着させた状態で、相互に対向した前記半導体ウエーハ同士を接合する半導体ウエーハの接合方法であって、
前記静電チャックは正及び負の電圧を印加可能な双曲型であり、相互に対向した前記静電チャックの一方側と他方側には絶対値がそれぞれ異なる逆極性の電圧を印加し、相互に対向した前記半導体ウエーハが逆極性となる状態で電位差を生じさせることにより、
一対の前記静電チャックにより保持された前記半導体ウエーハ同士が、真空環境下においてピストンロッドを用いず、ファンデルワールス力とクーロン力とにより相互に引き合い接合する。
A third invention is a method for bonding semiconductor wafers, comprising: arranging a pair of electrostatic chucks at positions facing each other on a stage supporting semiconductor wafers; and bonding the semiconductor wafers facing each other in a state in which the semiconductor wafers are attracted to the electrostatic chucks,
The electrostatic chuck is a hyperbolic type to which positive and negative voltages can be applied, and voltages of opposite polarities having different absolute values are applied to one side and the other side of the electrostatic chucks facing each other, thereby generating a potential difference in a state in which the semiconductor wafers facing each other have opposite polarities,
The semiconductor wafers held by the pair of electrostatic chucks are attracted to each other and joined by van der Waals force and Coulomb force in a vacuum environment without using a piston rod .
第4の発明は、半導体ウエーハを支持するステージ上で相互に対向する位置に一対の静電チャックを配置し、前記静電チャックに前記半導体ウエーハを吸着させた状態で、相互に対向した前記半導体ウエーハ同士を接合する半導体ウエーハの接合方法であって、
一方の前記静電チャックは相互に隣接する複数の内部電極を備えた双極型であり、隣接する前記内部電極には相互に極性の大きさの絶対値が異なる逆極性の電圧を印加し、
他方の前記静電チャックは相互に隣接する複数の内部電極を備えた双極型であり、隣接する前記内部電極には相互に極性の大きさの絶対値が異なる逆極性の電圧を印加し、かつ対向配置した一方の前記静電チャックの内部電極とは逆極性の電圧を印加し、
一方の前記静電チャックに保持された前記半導体ウエーハと、他方の前記静電チャックに保持された前記半導体ウエーハとが逆極性となる状態で電位差を生じさせることにより、
一対の前記静電チャックにより保持された前記半導体ウエーハ同士が、真空環境下においてピストンロッドを用いず、ファンデルワールス力とクーロン力とにより相互に引き合い接合する。
A fourth invention is a method for bonding semiconductor wafers, comprising: arranging a pair of electrostatic chucks at positions facing each other on a stage supporting semiconductor wafers; and bonding the semiconductor wafers facing each other in a state in which the semiconductor wafers are attracted to the electrostatic chucks,
One of the electrostatic chucks is a bipolar type having a plurality of internal electrodes adjacent to each other, and voltages of opposite polarities, the absolute values of which are different from each other, are applied to the adjacent internal electrodes,
the other electrostatic chuck is a bipolar type having a plurality of mutually adjacent internal electrodes, and voltages of opposite polarities, the absolute values of which are different from each other, are applied to the adjacent internal electrodes, and a voltage of opposite polarity is applied to the internal electrodes of the one electrostatic chuck disposed opposite to each other;
A potential difference is generated in a state in which the semiconductor wafer held by one electrostatic chuck and the semiconductor wafer held by the other electrostatic chuck have opposite polarities,
The semiconductor wafers held by the pair of electrostatic chucks are attracted to each other and joined by van der Waals force and Coulomb force in a vacuum environment without using a piston rod .
これらの場合、一対の前記静電チャックで保持された前記半導体ウエーハ同士の離間間隔を10μm以上50μm以下とした微小空間で、前記半導体ウエーハ同士を当該半導体ウエーハの平面姿勢を維持しながら接合することが好ましい。 In these cases, it is preferable to bond the semiconductor wafers held by the pair of electrostatic chucks in a small space with a separation distance of 10 μm or more and 50 μm or less, while maintaining the planar orientation of the semiconductor wafers.
本発明によれば、簡易な構成により、半導体製造プロセスにおける半導体ウエーハ同士の接合時において半導体ウエーハ同士の位置ずれを防止することができる。 The present invention has a simple configuration that can prevent misalignment of semiconductor wafers when they are bonded together in the semiconductor manufacturing process.
本発明の第1実施形態に係る半導体製造プロセスに適用される、半導体ウエーハの静電気帯電除去方法について説明する。例えば、ハイブリッドボンディングが採用される半導体製造プロセスに適用した実施形態について説明する。 This section describes a method for removing electrostatic charges from a semiconductor wafer, which is applied to a semiconductor manufacturing process according to a first embodiment of the present invention. For example, this section describes an embodiment in which the method is applied to a semiconductor manufacturing process that employs hybrid bonding.
[半導体製造プロセス]
先ず、半導体製造プロセスについて説明する。図1及び図5に示すように、半導体製造プロセスは、例えば、半導体ウエーハW1、W2に対するパーティクル除去工程P100と、プラズマ処理工程P200と、大気開放工程P300と、洗浄工程P400と、乾燥工程P500と、アライメント工程P600と、接合工程P700と、検査工程P800と、アニール工程P900と、を有している。
[Semiconductor manufacturing process]
1 and 5, the semiconductor manufacturing process includes, for example, a particle removal process P100, a plasma treatment process P200, an atmospheric exposure process P300, a cleaning process P400, a drying process P500, an alignment process P600, a bonding process P700, an inspection process P800, and an annealing process P900 for semiconductor wafers W1 and W2.
パーティクル除去工程P100では、半導体ウエーハW1、W2に付着したパーティクルが歩率的又は化学的に除去される。 In the particle removal process P100, particles adhering to the semiconductor wafers W1 and W2 are removed stepwise or chemically.
プラズマ処理工程P200では、真空プラズマ処理又は大気圧プラズマ処理等により、半導体ウエーハW1、W2の表面が活性化される。 In the plasma treatment process P200, the surfaces of the semiconductor wafers W1 and W2 are activated by vacuum plasma treatment or atmospheric pressure plasma treatment, etc.
真空プラズマ処理は、公知の装置を用いて実施できる。真空プラズマ処理の方式としては、高周波誘導方式、容量結合型電極方式、コロナ放電電極-プラズマジェット方式、平行平板方式、リモートプラズマ方式、ICP型高密度プラズマ方式等が挙げられる。真空プラズマ処理に用いるガスとしては、酸素ガス、窒素ガス、希ガス(アルゴンガス等)、水素ガス、アンモニアガス等が挙げられ、希ガス又は窒素ガスが好ましい。ガスは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を混合して用いてもよい。例えば、アルゴンガス100体積%であってもよく、水素ガス/窒素ガスが70/30(体積比)の混合ガスでもよく、水素ガス/窒素ガス/アルゴンガスが35/15/50(体積比)の混合ガスでもよい。 Vacuum plasma treatment can be carried out using a known device. Vacuum plasma treatment methods include high-frequency induction, capacitively coupled electrode, corona discharge electrode-plasma jet, parallel plate, remote plasma, and ICP-type high-density plasma. Gases used in vacuum plasma treatment include oxygen gas, nitrogen gas, rare gas (argon gas, etc.), hydrogen gas, and ammonia gas, with rare gas or nitrogen gas being preferred. Gases may be used alone or in combination of two or more. For example, argon gas may be 100% by volume, or a mixed gas of hydrogen gas/nitrogen gas at 70/30 (volume ratio) or a mixed gas of hydrogen gas/nitrogen gas/argon gas at 35/15/50 (volume ratio).
真空プラズマ処理の雰囲気としては、希ガス又は窒素ガスの体積分率が50体積%以上の雰囲気が好ましく、70体積%以上の雰囲気がより好ましく、90体積%以上の雰囲気がさらに好ましく、100体積%の雰囲気が特に好ましい。希ガス又は窒素ガスの体積分率が前記範囲の下限値以上であれば、処理対象の表面を充分に粗面化できる。 The atmosphere for the vacuum plasma treatment is preferably an atmosphere with a volume fraction of rare gas or nitrogen gas of 50 volume % or more, more preferably an atmosphere with a volume fraction of 70 volume % or more, even more preferably an atmosphere with a volume fraction of 90 volume % or more, and particularly preferably an atmosphere with a volume fraction of 100 volume %. If the volume fraction of rare gas or nitrogen gas is equal to or greater than the lower limit of the above range, the surface of the treatment object can be sufficiently roughened.
真空プラズマ処理におけるガス流量、真空度、処理時間は、表面処理される無機層の組成や真空プラズマ処理装置の構造により適宜選択される。 The gas flow rate, degree of vacuum, and processing time in vacuum plasma treatment are appropriately selected depending on the composition of the inorganic layer to be surface-treated and the structure of the vacuum plasma processing device.
大気圧プラズマ処理も、公知の装置を用いて実施できる。大気圧プラズマ処理においては、0.8~1.2気圧下において不活性ガス(アルゴンガス、窒素ガス、ヘリウムガス等)下で放電することで、グロー放電を発生させる。不活性ガス中には微量の活性ガス(酸素ガス、水素ガス、炭酸ガス、エチレン、4フッ化エチレン等)を混合する。ガスとしては、処理対象の表面を充分に粗面化できる点から、窒素ガスに水素ガスを混合したガスが好ましい。 Atmospheric pressure plasma treatment can also be carried out using known equipment. In atmospheric pressure plasma treatment, a glow discharge is generated by discharging in an inert gas (argon gas, nitrogen gas, helium gas, etc.) at 0.8 to 1.2 atmospheres. A small amount of an active gas (oxygen gas, hydrogen gas, carbon dioxide gas, ethylene, tetrafluoroethylene, etc.) is mixed into the inert gas. A gas in which nitrogen gas is mixed with hydrogen gas is preferred, as this can sufficiently roughen the surface of the treatment target.
図2にプラズマチャンバを示す。プラズマチャンバ10のゲートバルブ12を開け、チャンバ14の内部にロボットで半導体ウエーハW1、W2を搬送してステージ16に載せた後、ゲートバルブ12を閉じてチャンバ14の内部を密閉する。その後、チャンバ14の内部の真空引きを行う。半導体ウエーハW1、W2にプラズマ処理を施工して、半導体ウエーハW1、W2の表面を活性化させる。
Figure 2 shows the plasma chamber. The
ここで、プラズマ処理工程P200の後に、半導体ウエーハW1、W2を大気環境下に置く大気開放工程P300をさらに備えることが好ましい。 Here, it is preferable to further include an atmospheric exposure process P300 after the plasma treatment process P200, in which the semiconductor wafers W1 and W2 are placed in an atmospheric environment.
大気開放工程P300では、プラズマチャンバ10のゲートバルブ12を開けて、チャンバ10の内部を大気に曝してもよく、プラズマチャンバ10とは別に大気に開放した大気開放チャンバ(図示省略)を設け、半導体ウエーハW1、W2を大気開放チャンバに搬送したうえで大気環境下においてもよい。
In the atmosphere opening process P300, the
大気開放工程P300では、半導体ウエーハW1、W2に対して、アルゴンガス30を供給する。アルゴンガス30は所定の揺動ノズル32を用いて、半導体ウエーハW1、W2の平面中心から径方向外側(外周側)に向けて吹き付けて供給することが好ましい。
In the atmospheric release process P300,
大気開放工程P300でアルゴンガス30を半導体ウエーハW1、W2に供給する理由は、例えば、従来のように大気開放時に窒素(N2)パージすると、半導体ウエーハW1、W2とパージガスとの摩擦により半導体ウエーハW1、W2の表面に静電気が帯電し、パージ時の圧力変動によりパーティクルが舞い上がり、パーティクルが静電気に引き付けられて、半導体ウエーハW1、W2の表面にパーティクルが付着しやすくなる。これを防止するために、本実施形態では、窒素(N2)パージではなく、アルゴンガス30を半導体ウエーハW1、W2に吹き付けることにより、半導体ウエーハW1、W2の表面における静電気の帯電量を少なくすることができる。この結果、半導体ウエーハW1、W2の表面に付着するパーティクルを低減することができる。
The reason why the
なお、チャンバ14の内部をアルゴンガス30で充満させてアルゴンガス雰囲気を作り、アルゴンガス雰囲気に置かれた半導体ウエーハW1、Wに静電気が帯電しないようにしてもよい。
The interior of the
洗浄工程P400では、図4に示すように、例えば、プラズマ処理後の半導体ウエーハW1、W2を回転テーブル20に載せて所定速度で回転させながら、半導体ウエーハW1、W2の表面に洗浄水28を滴下する。洗浄水28として、例えば、純水又は薬液を利用できる。
In the cleaning process P400, as shown in FIG. 4, for example, the semiconductor wafers W1 and W2 after plasma processing are placed on a
ここで、洗浄水28を半導体ウエーハW1、W2に供給する場合には、回転する半導体ウエーハW1、W2の平面中心に洗浄水28を垂らし、回転する半導体ウエーハW1、W2の遠心力で洗浄水28を径方向外側に誘導させる方法が好ましい。これにより、半導体ウエーハW1、W2の全表面を洗浄することができ、洗浄水28の洗浄ムラを防止できる。
Here, when supplying the cleaning
図3に洗浄機を示す。洗浄機18は洗浄工程P400で用いられる。洗浄機18は、回転テーブル20と、回転テーブル20を回転駆動させる回転モータ22と、洗浄水28(図4参照)を半導体ウエーハW1、W2に供給する洗浄ノズル24と、を有している。洗浄ノズル24は、洗浄水28を噴出するものであり、揺動モータ26の駆動により揺動可能に構成されている。これにより、半導体ウエーハW1、W2が回転テーブルに載せられて回転モータ22により回転駆動されながら、洗浄ノズル24から洗浄水28が半導体ウエーハW1、W2の平面中心に滴下できる。これにより、半導体ウエーハW1、W2の洗浄が行われ、半導体ウエーハW1、W2の表面にOH基(水酸基)が付着する。
Figure 3 shows the cleaning machine. The cleaning machine 18 is used in the cleaning process P400. The cleaning machine 18 has a rotating table 20, a rotary motor 22 that rotates the rotating table 20, and a cleaning
ここで、洗浄工程P400の後に、乾燥工程P500を設けることが好ましい。 Here, it is preferable to provide a drying process P500 after the cleaning process P400.
乾燥工程P500では、例えば洗浄機18がそのまま使用される。具体的には、回転テーブル20が洗浄工程時の速度よりも高速で回転させられて、洗浄ノズル24又は別のガス供給ノズル(図示省略)からアルゴンガス30が半導体ウエーハW1、W2に向かって吹き付けられる。この場合、図4に示すように、回転する半導体ウエーハW1、W2の平面中心から径方向外側(外周側)に向かってアルゴンガス30が供給されると、回転する半導体ウエーハW1、W2の遠心力の作用を受けて、アルゴンガス30が洗浄水28を押すようにして広がっていく。換言すれば、アルゴンガス30が回転する半導体ウエーハW1、W2の遠心力で攪拌されながら半導体ウエーハW1、W2の表面に付着した洗浄水28を半導体ウエーハW1、W2の表面から剥離させる。これにより、半導体ウエーハW1、W2の全表面にアルゴンガス30を接触させることができ、アルゴンガス30の接触ムラを防止できる。
In the drying process P500, for example, the cleaning machine 18 is used as is. Specifically, the
乾燥工程P500でアルゴンガス30を半導体ウエーハW1、W2に供給する他の理由は、洗浄後の半導体ウエーハW1、W2を高速で回転させて乾燥する場合、半導体ウエーハW1、W2と空気との摩擦により半導体ウエーハW1、W2の表面に静電気が帯電する。このため、乾燥工程P500でアルゴンガス30を半導体ウエーハW1、W2の表面に曝すことにより、半導体ウエーハW1、W2の表面における静電気の帯電量を少なくすることができる。この結果、半導体ウエーハW1、W2の表面に付着するパーティクルを低減することができる。
Another reason for supplying
以上のように、乾燥工程P500でアルゴンガス30を半導体ウエーハW1、W2に供給することにより、半導体ウエーハW1、W2の表面から洗浄水28を除去させて乾燥させるとともに、半導体ウエーハW1、W2の表面への静電気の帯電量を低減することができる。
As described above, by supplying
なお、大気開放工程P300において、アルゴンガス30に少量の水素と酸素を適宜混合した混合ガスを半導体ウエーハW1、W2に供給してもよい。例えば、アルゴンに3体積%程度の水素を混合した混合ガスを半導体ウエーハW1、W2の表面に吹き付けて静電気及びパーティクルを除去し、その後、酸素ガスを半導体ウエーハW1、W2の表面に吹き付けて半導体ウエーハW1、W2の表面にOH基(水酸基)を付着させてもよい。
In addition, in the atmospheric release process P300, a mixed gas in which small amounts of hydrogen and oxygen are appropriately mixed with
ここで、半導体ウエーハW1、W2が回転可能になる構成では、混合ガス及び酸素ガスは、回転する半導体ウエーハW1、W2の平面中心から径方向外側に向かって揺動ノズル等により供給することが好ましい。これにより、回転する半導体ウエーハW1、W2に作用する遠心力によって混合ガス及び酸素ガスが攪拌されるため、半導体ウエーハW1、W2の全表面にムラなく混合ガス及び酸素ガスを曝すことができる。 Here, in a configuration in which the semiconductor wafers W1 and W2 are rotatable, it is preferable to supply the mixed gas and oxygen gas from a swinging nozzle or the like from the planar center of the rotating semiconductor wafers W1 and W2 toward the radially outward direction. This causes the mixed gas and oxygen gas to be agitated by the centrifugal force acting on the rotating semiconductor wafers W1 and W2, so that the mixed gas and oxygen gas can be exposed evenly to the entire surface of the semiconductor wafers W1 and W2.
この結果、図5及び図6に示すように、洗浄工程P400及び乾燥工程P500を省略することができ、半導体製造プロセスにおけるスループットが向上する。また、アニール工程P900の後において半導体ウエーハW1、W2にマイクロバブルが発生することを防止できる。さらに、プラズマ処理により活性化した半導体ウエーハW1、W2の表面にOH基(水酸基)が付着することにより、フュージョンボンディングが可能になり、ドライプロセスが実現できる。 As a result, as shown in Figures 5 and 6, the cleaning step P400 and the drying step P500 can be omitted, improving the throughput of the semiconductor manufacturing process. In addition, it is possible to prevent microbubbles from being generated in the semiconductor wafers W1 and W2 after the annealing step P900. Furthermore, fusion bonding becomes possible by attaching OH groups (hydroxyl groups) to the surfaces of the semiconductor wafers W1 and W2 activated by the plasma treatment, and a dry process can be realized.
アライメント工程P600では、相互に対向する2枚の半導体ウエーハW1、W2が位置決めされる。 In the alignment process P600, two semiconductor wafers W1 and W2 facing each other are positioned.
接合工程P700では、アライメント工程P600を経た2枚の半導体ウエーハW1、W2同士が接合される。このとき、パーティクルが少ない半導体ウエーハW1、W2同士を接合するため、半導体ウエーハW1、W2間に発生する気泡バブルの大きさが極めて小さくなり、半導体ウエーハW1、W2の品質不良を回避でき、また半導体製造プロセスの歩留まりが低下することを防止できる。 In the bonding process P700, two semiconductor wafers W1 and W2 that have undergone the alignment process P600 are bonded together. At this time, because the semiconductor wafers W1 and W2 that contain few particles are bonded together, the size of the air bubbles that occur between the semiconductor wafers W1 and W2 becomes extremely small, which makes it possible to avoid quality defects in the semiconductor wafers W1 and W2 and prevent a decrease in the yield of the semiconductor manufacturing process.
検査工程P800では、接合された半導体ウエーハW1、W2に対して形状観察や欠陥検査等が行われる。 In the inspection process P800, shape observation and defect inspection are performed on the bonded semiconductor wafers W1 and W2.
アニール工程P900では、半導体ウエーハW1、W2の表面を加熱後、冷却して材料表面を改変させるものである。例えば、炉・ランプでの加熱や、レーザーアニールなどの方法がある。 In the annealing process P900, the surfaces of the semiconductor wafers W1 and W2 are heated and then cooled to modify the material surface. For example, methods include heating in a furnace or lamp, and laser annealing.
以上のように、第1実施形態によれば、半導体製造プロセスにおいて半導体ウエーハW1、W2に帯電する静電気の帯電量を低減できる。これにより、静電気で引き寄せられて半導体ウエーハW1、W2の表面に付着するパーティクルを削減できる。 As described above, according to the first embodiment, the amount of static electricity that is charged to the semiconductor wafers W1 and W2 in the semiconductor manufacturing process can be reduced. This makes it possible to reduce particles that are attracted by static electricity and adhere to the surfaces of the semiconductor wafers W1 and W2.
しかも半導体ウエーハW1、W2の表面に付着した洗浄水28を除去しながら、半導体ウエーハW1、W2に静電気が帯電し難い性質へと改質することができる。
Furthermore, while removing the cleaning
また、半導体ウエーハW1、W2同士のフュージョンボンディングが可能になり、マイクロバブル(気泡)が発生することを防止できる。この結果、半導体ウエーハW1、W2の不良を防止できる。 Furthermore, fusion bonding of the semiconductor wafers W1 and W2 becomes possible, preventing the generation of microbubbles (air bubbles). As a result, defects in the semiconductor wafers W1 and W2 can be prevented.
次に、本発明の第2実施形態に係る半導体ウエーハの接合装置について説明する。当該半導体ウエーハの接合装置は、第1実施形態の半導体製造プロセスにおける接合工程P700に使用可能なアライメント装置である。なお、第1実施形態の半導体製造プロセスの接合装置として用いられることに限定されるものではなく、一般的な半導体ウエーハの接合装置として使用される。 Next, a semiconductor wafer bonding apparatus according to a second embodiment of the present invention will be described. This semiconductor wafer bonding apparatus is an alignment apparatus that can be used in the bonding process P700 in the semiconductor manufacturing process of the first embodiment. Note that the apparatus is not limited to being used as the bonding apparatus in the semiconductor manufacturing process of the first embodiment, but can be used as a general semiconductor wafer bonding apparatus.
図7に示すように、半導体ウエーハの接合装置34(以下、単に「接合装置34」という。)は、例えば上方に位置する第1のステージ36と、例えば下方に位置する第2のステージ38と、を備えている。第1のステージ36と第2のステージ38とは対向配置されており、相互に対向している。なお、上方と下方は本実施形態を説明するための方向の一例であり、限定されるものではない。例えば、上方と下方は、左方向と右方向に置き換えることもできる。
As shown in FIG. 7, the semiconductor wafer bonding device 34 (hereinafter simply referred to as "
ここで説明の便宜上、第1のステージ36で保持される半導体ウエーハを半導体ウエーハW1と称し、第2のステージ38で保持される半導体ウエーハを半導体ウエーハW2と称する。
For ease of explanation, the semiconductor wafer held on the
第1のステージ36は、半導体ウエーハW1を支持する第1の水平面40を有している。第1のステージ36には吸引機構(図示省略)が接続されており半導体ウエーハW1を所定の吸引力により保持することができる。同様にして、第2のステージ38は、半導体ウエーハW2を支持する第2の水平面42を有している。第2のステージ38には吸引機構(図示省略)が接続されており半導体ウエーハW2を所定の吸引力により保持することができる。特に、後述の微小空間SPを真空状態にする際にも、各半導体ウエーハW1、W2は、それぞれのステージ36、38により保持された状態になる。
The
第1のステージ36及び第2のステージ38は、所定の温度に制御するための温度調整機構(図示省略)を備えていることが好ましい。温度調整機構とは、例えば、ヒータである。
The
第1のステージ36は、例えば、真空チャック又は静電チャック(ESCチャック)で構成してもよい。真空チャックを利用する場合には、SOIウエーハ等の配線アライメントが必要とならないプロセスが望ましい。SOIウエーハとは、電気絶縁性の高い酸化膜層をウエーハ内部に形成させることにより、半導体デバイスの高集積化、低消費電力化、高速化、高信頼性を実現したウエーハである。必要に応じて、活性層にヒ素(As)やアンチモン(Sb)の拡散層を形成することも可能である。
The
第1のステージ36を真空チャックで構成する場合には、ボンディングクリアランス(微小距離)を限りなく狭くして、真空制御圧力が同圧になる前の半導体ウエーハが保持できる圧力差であることが好ましい。また、上方の第1のステージ36で保持される半導体ウエーハW1が落下することを防止し、又は半導体ウエーハW1が落下しても支障を回避するためのエッジガイド(周辺ガイド)等を設置することが好ましい。
When the
第2のステージ38は、支持台44により支持されている。また、第2のステージ38は、上下方向に駆動可能な駆動装置46が接続されている。このため、駆動装置46が駆動することにより、第2のステージ38が水平を維持した状態で上下方向に沿って移動可能になる。駆動装置46は、例えばボールねじ機構のほか、油圧シリンダー又は空気圧シリンダー等を用いることができ、上下方向に沿って直線運動することにより第2のステージ38が上下方向に沿って1ミクロン単位で移動可能になる。
The
第2のステージ38についても、第1のステージ36と同様にして、例えば、真空チャック又は静電チャック(ESCチャック)で構成してもよい。
The
なお、第1のステージ36についても、同様にして、駆動装置(図示省略)が接続されており、上下方向に沿って1ミクロン単位で移動できるように構成してもよい。なお、第2のステージ38に駆動装置46が取り付けられている構成では、第1のステージ36は支持部材(図示省略)により上下方向に沿って移動せずに固定されている構成でもよい。
The
第1のステージ36の半導体ウエーハW1を支持する支持面は、例えば第1の水平面40で構成されている。同様にして、第2のステージ38の半導体ウエーハW2を支持する支持面は、例えば第2の水平面42で構成されている。しかしながら、図9に示すように、第1のステージ36の半導体ウエーハW1を支持する第1の水平面40には突状部材74が着脱可能に設けられており、突状部材74の先端部で半導体ウエーハW1を支持する構成でもよい。同様にして、第2のステージ38の半導体ウエーハW2を支持する第2の水平面42には突状部材76が着脱可能に設けられており、突状部材76の先端部で半導体ウエーハW2を支持する構成でもよい。
The support surface of the
第1のステージ36は、半導体ウエーハW1、W2同士の接合時に接合圧力を計測できるロードセル(図示省略)を備えている。これにより、半導体ウエーハW1、W2同士の接合圧力をグラム単位で測定でき、ロードセルの計測結果に基づき駆動装置46を制御することで半導体ウエーハの接合圧力をグラム単位で制御することができる。
The
第1のステージ36及び第2のステージ38のいずれか一方又は両方には、シール部材48が取り付けられている。シール部材48は、第1のステージ36の縁部又は第2のステージ38の縁部に配置されていることが好ましい。なお、シール部材48は、例えばゴムで構成されており、気密部材ともいう。図7は、第2のステージ38のみにシール部材48が設けられた構成を示すが、これは一例である。例えば、図9に示すように、第1のステージ36と第2のステージ38の両方に対向する位置で接触が可能となる位置に、各々シール部材48が設けられていてもよい。
A
ここで、第1のステージ36と第2のステージ38は、両者の水平面が平行になるように対向配置した状態で、駆動装置46の駆動に基づき上下方向することにより、相互に接近又は離間することができる。第1のステージ36と第2のステージ38が相互に接近してくると、やがて第1のステージ36とシール部材48が接触する。第1のステージ36とシール部材48が接触すると、第1のステージ36と第2のステージ38の移動が停止される。このとき、第1のステージ36で支持された半導体ウエーハW1と、第2のステージ38で支持された半導体ウエーハW2との離間距離が、微小空間(ミニマル空間)SPを形成するための微小距離となるように設定されている。この意味で、シール部材48は、微小距離又は微小空間を形成するためのガイド部材又は制御部材として機能することになる。
Here, the
なお、微小空間SPの水平方に沿った長さは、半導体ウエーハW1、W2の直径寸法と同じであるか、又は半導体ウエーハW1、W2の直径寸法に当該直径寸法の1~2割程度の予備寸法を追加した長さに設定されていることが好ましい。 The horizontal length of the microspace SP is preferably set to the same as the diameter dimension of the semiconductor wafers W1 and W2, or to the diameter dimension of the semiconductor wafers W1 and W2 plus a spare dimension of about 10 to 20 percent of the diameter dimension.
換言すれば、シール部材48は、第1のステージ36及び第2のステージ38の上下方向の移動により半導体ウエーハW1、W2同士を接合する際に、各半導体ウエーハW1、W2で形成される空間が微小空間SPとして成立するように寸法設定がされている。すなわち、シール部材48の例えば高さ方向の寸法により、半導体ウエーハW1、W2同士が接合されるミニマル空間が所定の微小空間SP(又は微小体積)となるように制御されている。または、シール部材48の例えば高さ方向の寸法は、第1のステージ36で支持された半導体ウエーハW1と第2のステージ38で支持された半導体ウエーハW2との離間距離が所望の最小値になるように制御する機能を持つ。
In other words, the dimensions of the
なお、第1のステージ36で支持された半導体ウエーハW1と第2のステージ38で支持された半導体ウエーハW2との離間距離とは、10μm以上50μm以下の微小距離(マイクロディスタンス)であることが好ましい。
The distance between the semiconductor wafer W1 supported by the
微小空間SPは、接合装置34の外部に設けられた真空制御装置50(図7のTransfer positionでは図示省略)と連通可能に接続されている。詳細には、真空制御装置50の体積は、微小空間SPの体積よりも数千倍から数万倍だけ大きくなるように設定されている。微小空間SPにはオリフィス52(図7のTransfer positionでは図示省略)の入口が接続され、オリフィス52の出口には管状部材54の一方側端部が接続されている。管状部材54の他方側端部は真空制御装置50と接続されている。管状部材54には切替バルブ56(真空バルブ)が接続されている。切替バルブ56の開閉により、微小空間SPと真空制御装置50とが連通状態になる。このとき、真空制御装置50の体積が微小空間SPの体積よりも数千倍から数万倍に大きいため、微小空間SPの内部環境が真空制御装置50の内部空間の圧力環境に倣うようにして真空環境になる。このように、体積の小さい微小空間SPを体積の大きい真空制御装置50に連通するだけで、微小空間SPの真空環境が実現されるのである。
The microspace SP is connected to a vacuum control device 50 (not shown in the Transfer position of FIG. 7) provided outside the
なお、真空制御装置50の内部環境は、最適な圧力になるように制御されている。このため、微小空間SPの水分が凍結して半導体ウエーハW1、W2同士接合時にパーティクルと同様のバブルが生じることがなく、半導体ウエーハW1、W2の品質劣化の原因になり得る水酸基(OH基)の飛散を防止することができる。
The internal environment of the
真空制御装置50は、本発明の「真空制御部」の一実施態様である。
The
ここで、半導体ウエーハW1、W2同士の接合時の動作について説明する。半導体ウエーハW1、W2同士の離間距離は、微小空間SPの真空環境において相互に微小距離である状態から、駆動装置46が駆動して、第2のステージ38が上方向に沿って水平状態を維持しながら移動する。やがて、第1のステージ36に保持された半導体ウエーハW1と、第2のステージ38に保持された半導体ウエーハW2と、が所定の圧力で接触して接合に至る。
Here, the operation when the semiconductor wafers W1 and W2 are bonded together will be described. The distance between the semiconductor wafers W1 and W2 is small in the vacuum environment of the microspace SP, and the
このとき、従来技術のようにセンタープッシュピン(ロッド)等を用いて半導体ウエーハW1、W2を押圧することはない。従来技術では、半導体ウエーハ同士の接合時に、一方側の半導体ウエーハの中央部分をセンタープッシュピンで押圧していたため、半導体ウエーハが撓むことにより、また応力集中による歪みが発生することにより、劣化又は破損する等の問題が生じていた。この課題に関し、本実施形態では半導体ウエーハW1、W2同士を、センタープッシュピンを用いることなく水平面を維持した状態で接合するため、半導体ウエーハW1、W2が接合時に劣化又は破損することを防止できる。特に半導体ウエーハW1、W2が硬くて脆いSiCウエーハで構成されている場合には効果的である。 At this time, the semiconductor wafers W1 and W2 are not pressed using a center push pin (rod) or the like as in the conventional technology. In the conventional technology, when semiconductor wafers are bonded to each other, the center portion of one of the semiconductor wafers is pressed with a center push pin, which causes problems such as deterioration or damage due to bending of the semiconductor wafer and distortion caused by stress concentration. In this embodiment, to address this issue, the semiconductor wafers W1 and W2 are bonded to each other while maintaining a horizontal plane without using a center push pin, so that the semiconductor wafers W1 and W2 can be prevented from being deteriorated or damaged during bonding. This is particularly effective when the semiconductor wafers W1 and W2 are made of hard and brittle SiC wafers.
半導体ウエーハW1、W2同士の接合圧力は、例えば最大で15kgである。接合圧力は、第1のステージ36に設けられたロードセルにより計測することができる。また、ロードセルでの計測結果に基づき、駆動装置46をフィードバック制御することにより、第2のステージ38の移動をミクロン単位で制御することが可能になる。
The bonding pressure between the semiconductor wafers W1 and W2 is, for example, a maximum of 15 kg. The bonding pressure can be measured by a load cell provided on the
半導体ウエーハW1、W2同士の接合では、半導体ウエーハW1、W2の離間距離が微小距離である状態から接合されるため、半導体ウエーハ同士の位置ずれを抑制でき、接合精度を高めることができる。 When bonding the semiconductor wafers W1 and W2 together, the distance between the semiconductor wafers W1 and W2 is very small, so misalignment between the semiconductor wafers can be suppressed and bonding accuracy can be improved.
なお、第1のステージ36側に駆動装置を設け、第1のステージ36を下方向に移動させて半導体ウエーハW1、W2同士を接合することも可能である。さらには第1のステージ36及び第2のステージ38の両方に駆動装置46を設け、第1のステージ36と第2のステージ38の両方を上下方向に移動させるように構成してもよい。
It is also possible to provide a drive unit on the
次に、本発明の第2実施形態の半導体ウエーハの接合装置及び接合方法の作用について説明する。 Next, we will explain the operation of the semiconductor wafer bonding apparatus and bonding method of the second embodiment of the present invention.
[現状と問題点]
真空プラズマ処理において十分な量の水酸基(OH基)を半導体ウエーハの界面に存在させることは困難であった。真空プラズマ処理で発生したOラジカル又はHラジカルを生成することは可能であるが、同時に半導体ウエーハの表面にはプラズマ電子が付着しており、プラズマ電子の作用により半導体ウエーハの表面を活性化させているので、半導体ウエーハの界面に十分な量の水酸基(OH基)を滞在させることは出来なかったのである。
[Current situation and issues]
It was difficult to make a sufficient amount of hydroxyl groups (OH groups) exist at the interface of a semiconductor wafer in vacuum plasma processing. Although it is possible to generate O radicals or H radicals in vacuum plasma processing, plasma electrons are attached to the surface of the semiconductor wafer at the same time, and the surface of the semiconductor wafer is activated by the action of the plasma electrons, so it was not possible to make a sufficient amount of hydroxyl groups (OH groups) remain at the interface of the semiconductor wafer.
半導体ウエーハを活性化させるために真空プラズマ処理を実行するが、ガスを励起させプラズマ化し、イオンで半導体ウエーハの表面を活性化させるためのプロセス圧力は真空度において50Ps以下である。この状態では、大気圧と比較して1/2000程度のガスが存在することになるため、高密度プラズマかつリモートプラズマを用いて水酸基(OH基)を半導体ウエーハの界面に滞在させ、ボンディングに必要となる水酸基(OH基)を得ることはできない。 Vacuum plasma processing is performed to activate the semiconductor wafer, but the process pressure for exciting the gas to form plasma and activating the surface of the semiconductor wafer with ions is 50 Ps or less in vacuum. In this state, gas exists at about 1/2000 of atmospheric pressure, so it is not possible to use high-density plasma and remote plasma to make hydroxyl groups (OH groups) remain at the interface of the semiconductor wafer and obtain the hydroxyl groups (OH groups) required for bonding.
SiO2の親水化接合を考慮すると、水はSiO2上においてSiに比べ、乖離し難いため、水酸基(OH基)が少なく強度が出ない技術的問題があり、この技術的問題を解消するために大量の水を付与すると、水が半導体ウエーハの界面に残留して水酸基(OH基)が過剰になりボイドが発生する原因になる。 Considering hydrophilic bonding of SiO2 , water is less likely to dissociate from SiO2 than from silicon, so there is a technical problem of a small number of hydroxyl groups (OH groups) and insufficient strength; if a large amount of water is applied to solve this technical problem, the water remains at the interface of the semiconductor wafer, causing an excess of hydroxyl groups (OH groups), which leads to the generation of voids.
例えばフュージョンボンディングの工程において、半導体ウエーハをプラズマ活性化した後、洗浄して水酸基(OH基)を付加し、センタープッシュピンを使用して一方側の半導体ウエーハを押し上げて半導体ウエーハを撓ませながら、半導体ウエーハ同士を接合する方法が従来からの一般的な方法である。しかしながら、従来の方法では、半導体ウエーハ自体の変形によりダメージが発生し、半導体ウエーハの破損につながる技術的問題が生じていた。 For example, in the fusion bonding process, the conventional method is to plasma activate the semiconductor wafers, clean them to add hydroxyl groups (OH groups), and then use a center push pin to push up one of the semiconductor wafers, bending the semiconductor wafers while bonding them together. However, with the conventional method, damage occurs due to deformation of the semiconductor wafers themselves, giving rise to technical problems that lead to breakage of the semiconductor wafers.
特に半導体ウエーハに使用される基板材は、すべてにおいて脆性材料であり、硬くて脆い材料である。SiCはその中でもダイヤモンドに次ぐ硬さであり、化学的耐性に強いため、物理的な加工が極めて難しい材料である。このため、通常のシリコンウエーハ(SIウエーハ)とは異なり、SiCウエーハではセンタープッシュピンを使わない接合処理(void除去ボンディングプロセス)が要求されている。 In particular, all of the substrate materials used for semiconductor wafers are brittle materials, and are hard and brittle. Among these, SiC is second only to diamond in hardness and has strong chemical resistance, making it an extremely difficult material to physically process. For this reason, unlike regular silicon wafers (SI wafers), SiC wafers require a bonding process that does not use a center push pin (void removal bonding process).
これに対して、第2実施形態におけるウエーハの接合装置及び接合方法は、半導体ウエーハW1、W2同士を微小空間(ミニマル空間)でかつ真空環境において、低真空で接合に必要となる水酸基(OH基)が残存可能な圧力制御を行い、半導体ウエーハW1、W2の接合処理を実行することになる。 In contrast, the wafer bonding apparatus and method of the second embodiment performs the bonding process of the semiconductor wafers W1 and W2 by controlling the pressure so that the hydroxyl groups (OH groups) required for bonding can remain in a small space (minimal space) and vacuum environment at a low vacuum.
半導体ウエーハW1、W2の接合処理は、微小空間SPにおいて実行させるため、1秒程度で高速に微小空間が真空制御され、第1のステージ36及び第2のステージ38を所定の温度に温度制御することにより、適切な量の水酸基(OH)を残存させることができる。
The bonding process of the semiconductor wafers W1 and W2 is carried out in the microspace SP, so the microspace is vacuum-controlled at high speed in about one second, and the
このように半導体ウエーハの接合処理において、微小空間という最小の空間で、半導体ウエーハW1、W2の貼り合わせ時の真空圧力、温度、時間を制御することにより、半導体ウエーハW1、W2の最適な接合処理が可能になる。 In this way, in the bonding process of semiconductor wafers, optimal bonding of semiconductor wafers W1 and W2 is possible by controlling the vacuum pressure, temperature, and time when bonding semiconductor wafers W1 and W2 in the smallest space known as a microspace.
特に微小空間SPが1秒程度の短時間で真空環境になるため、半導体ウエーハW1、W2の表面に十分な量の水酸基(OH基)を滞在させることができ、半導体ウエーハW1、W2同士の接合強度が向上する。 In particular, because the microspace SP becomes a vacuum environment in a short time of about one second, a sufficient amount of hydroxyl groups (OH groups) can remain on the surfaces of the semiconductor wafers W1 and W2, improving the bonding strength between the semiconductor wafers W1 and W2.
なお、半導体ウエーハW1、W2の貼り合わせ前のプレボンディング空間では、半導体ウエーハW1、W2の離間距離が微小距離(最小距離)である10μm以上50μm以下であり、ピエゾ制御により半導体ウエーハW1、W2の傾きとアライメントの調整とともに接合時の加圧制御を行うことが好ましい。 In addition, in the pre-bonding space before the semiconductor wafers W1 and W2 are bonded together, the separation distance between the semiconductor wafers W1 and W2 is a minute distance (minimum distance) of 10 μm or more and 50 μm or less, and it is preferable to use piezoelectric control to adjust the inclination and alignment of the semiconductor wafers W1 and W2 as well as to control the pressure during bonding.
次に、本発明の第2実施形態に係る半導体ウエーハの接合装置及び接合方法の実施例について説明する。なお、各実施例の図面では、重複する構成には同符号を付し、その説明を適宜省略する。 Next, examples of a semiconductor wafer bonding apparatus and method according to the second embodiment of the present invention will be described. Note that in the drawings of each example, the same reference numerals are used for overlapping configurations, and descriptions thereof will be omitted as appropriate.
(実施例1)
図8に示すように、実施例1は、真空制御ユニット58を備えている。真空制御ユニット58は、例えば、真空制御チャンバ60と、真空制御チャンバ60に配管等で接続されたポンプユニット62と、真空制御チャンバ60に配管等で接続されたガスユニット64と、真空制御チャンバ60内の圧力を計測するためのピラニー真空計等の圧力計66と、を備えている。
Example 1
8, the first embodiment includes a
真空制御チャンバ60は、本発明の「真空制御部」の一実施態様である。
The
真空制御チャンバ60とポンプユニット62との間、真空制御チャンバ60とガスユニット64との間に、それぞれ隔壁バルブ68を設けている。さらに、真空制御チャンバ60には、真空制御チャンバ60内の温度を制御するための温度調整機構70を備えている。温度調整機構70は、例えば、ヒータである。温度調整機構70によれば、真空制御チャンバ60の内壁に付着したガスの脱ガス化及び湿度制御が可能である。ポンプユニット62の駆動により真空制御チャンバ60と連通状態にある微小空間SPが真空引きされ、真空環境が実現される。
実施例1によれば、接合装置34の微小空間を形成するボンディングチャンバ側は、例えばマスフローコントローラのようなオリフィス52で圧力変化速度を制御する構造である。真空制御チャンバ60は、例えば、温度制御機構70と水蒸気を供給可能なガスユニット64が設けられている。これにより、真空制御チャンバの内部の温度、湿度、圧力などの環境を制御することができる。
According to the first embodiment, the bonding chamber side forming the minute space of the
ここで、接合装置34の微小空間SPとポンプユニット62との間に真空制御チャンバ60を介在させる理由は、接合装置34の微小空間SPをポンプユニット62に直接接続する構成であれば、微小空間SPの体積が余りにも小さいため圧力制御が困難になり、ポンプユニット62の性能(到達真空)に至る急激な真空状態になることで、微小空間SPに存在する水分や他の液体が急速に蒸発し、微小空間SPの温度が低下する。この結果、微小空間SPの半導体ウエーハW1、W2に真空凍結が発生するからである。真空凍結が発生すると、パーティクルと同様にして、バブルが発生するため、半導体ウエーハW1、W2の品質に悪影響が生じるからである。また、ポンプユニット62の性能(到達真空)に至る急激な真空状態により、水酸基(OH基)が揮発して半導体ウエーハW1、W2の品質に悪影響が生じるからである。
The reason for interposing the
真空凍結が発生する圧力は、物質の性質及び温度に依存する。一般的には真空凍結が効果的に発生するためには、非常に低い圧力が必要となる。多くの場合、真空凍結は、高真空(10-3Pa(パスカル)以下)の条件で行われる。真空にする際の圧力変化は、凍結の結果に影響を与える。真空中では、物質は気体状態になりやすく、圧力が低下すると蒸発しやすくなる。これにより、物質の温度が低下し、凍結が促進される。圧力が低いほど、真空における凍結が起こりやすくなる。 The pressure at which vacuum freezing occurs depends on the properties of the material and the temperature. Generally, very low pressures are required for vacuum freezing to occur effectively. In most cases, vacuum freezing is performed under high vacuum conditions (10 −3 Pa (pascals) or less). Pressure changes when creating a vacuum affect the freezing results. In a vacuum, materials tend to become gaseous, and as pressure decreases, they tend to evaporate. This reduces the temperature of the material, facilitating freezing. The lower the pressure, the easier it is for freezing to occur in a vacuum.
以上から、真空制御チャンバ60を介在させ、真空制御チャンバ60の内部を温度、湿度、圧力を最適に制御した状態で微小空間SPと連通させ、あわせて第1のステージ36及び第2のステージ38の温度制御を行うことにより、微小空間SPにおいて凍結を起こさないように真空環境にして、半導体ウエーハW1、W2の劣化を防止している。
As a result of the above, the
(実施例2)
図9に示すように、実施例2では、第1のステージ36に半導体ウエーハW1との接触面積を低減するための接触面積低減部72としての第1の突状部材74が設けられている。また、第2のステージ38に半導体ウエーハW2との接触面積を低減するための接触面積低減部72としての第2の突状部材76が設けられている。第1のステージ36及び第2のステージ38は、各々水平面40、42を有し、各々水平面40、42上で半導体ウエーハW1、W2が面接触して支持される構成となっていたが、第2実施例では複数の突状部材74、76により支持される構成である。このため、半導体ウエーハW1、W2と各ステージ36、38との接触面積の総和が減少する。これにより、半導体ウエーハW1、W2と突状部材74、76との間にゴミや埃等のパーティクル(異物)が介在することが少なくなり、半導体ウエーハW1、W2同士が接合したときの応力集中が軽減され、製品が完成したときの製品の品質劣化を抑制することができる。
Example 2
As shown in Fig. 9, in the second embodiment, the
複数の突状部材74、76の先端部は、半導体ウエーハW1、W2との接触面積を小さくするために曲面状に形成されていることが好ましい。各々の突状部材74、76の先端部を曲面としたことにより、突状部材74、76の先端部に付着するゴミや埃等のパーティクル(異物)の量が軽減されると同時に、半導体ウエーハW1、W2と突状部材74、76との接触面積がさらに低減される。これらにより、半導体ウエーハW1、W2と突状部材74、76との間に介在するゴミや埃等のパーティクル(異物)の量が格段少なくなり、半導体ウエーハW1、W2同士が接合されて製品が完成したときの製品の品質劣化をより一層抑制することができる。
The tips of the multiple protruding
以上のように、実施例2によれば、従来のステージが平面状であるため、ステージ上に付着したパーティクルや半導体ウエーハの表面に付着したパーティクルが、半導体ウエーハ同士の接合時の加圧時に応力集中を促進し、半導体ウエーハの破損又は半導体ウエーハに気泡が発生するなどの技術的問題を根本的に解決することができる。 As described above, according to Example 2, since the conventional stage is planar, particles adhering to the stage or the surface of the semiconductor wafer promote stress concentration when pressure is applied to bond the semiconductor wafers together, and technical problems such as damage to the semiconductor wafer or generation of air bubbles in the semiconductor wafer can be fundamentally solved.
特に、半導体ウエーハW1、W2が複数の突状部材74、76により支持される構成では、隣接する各々の突状部材74、76の間に隙間が形成される。微小空間SPを真空吸引する場合には、各々の突状部材74、76の間に形成された隙間を気流が通り、オリフィス52に向かうようになる。これにより、半導体ウエーハW1、W2が複数の突状部材74、76に対して強固に支持され、確実な位置決めが可能になる。この結果、半導体ウエーハW1、W2同士の高精度な接合処理が実現できる。
In particular, in a configuration in which the semiconductor wafers W1, W2 are supported by a plurality of protruding
なお、突状部材74、76は、突起、柱状部材、棒状部材でもよい。突状部材74、76として、第1のステージ36及び第2のステージ38の各水平面40、42上に凸凹を形成するための部材又は施工であればよい。突状部材74は、76は、各水平面40、42上に着脱自在に設けられている構成に限られず、各水平面40、42上に固定されていてもよく、又は各水平面40、42の表面が突起状又は突部状に加工されていてもよい。
The protruding
また、第1のステージ36と第2のステージ38の両方には、半導体ウエーハW1、W2の接合時に微小空間SPの真空環境を維持するためのシール部材48を備えている。シール部材48は、例えばゴムである。
In addition, both the
一対の各ステージ36、38が相互に接近したときに各々のシール部材48同士が接触することにより半導体ウエーハW1、W2同士の離間距離が調整される。換言すれば、シール部材48の厚み寸法(高さ寸法)は、半導体ウエーハW1、W2同士の離間距離が所望の微小距離に調整できる寸法に設定されている。
When the pair of
次に、本発明の第3実施形態の半導体ウエーハの接合装置及び接合方法の作用について説明する。 Next, we will explain the operation of the semiconductor wafer bonding apparatus and bonding method of the third embodiment of the present invention.
第3実施形態では、第2実施形態における半導体ウエーハの接合装置及び接合方法に関し、半導体ウエーハW1、W2を保持するための第1のステージ36及び第2のステージ38に静電チャック80(図10乃至図12参照)が配置されている構成である。
In the third embodiment, the semiconductor wafer bonding apparatus and bonding method in the second embodiment are configured such that electrostatic chucks 80 (see Figures 10 to 12) are disposed on the
[現状と問題点]
従来から、接合工程では、例えば、プラスに帯電した半導体ウエーハ同士、マイナスに帯電した半導体ウエーハ同士を接合する場合、半導体ウエーハ間に反発力が生じるため、半導体ウエーハ同士の接合時に一方の半導体ウエーハが他方の半導体ウエーハに対して反発力に伴う位置ずれが生じ、半導体ウエーハ同士の接合精度が低下する問題があった。
そこで、第3実施形態は、上記問題点を解決するために発明されたものであり、簡易な構成により、半導体製造プロセスにおける半導体ウエーハ同士の接合時における位置ずれを防止するウエーハ接合装置及びウエーハ接合方法を提供することである。
[Current situation and issues]
Conventionally, in a bonding process, for example, when bonding positively charged semiconductor wafers together or bonding negatively charged semiconductor wafers together, a repulsive force is generated between the semiconductor wafers, and when the semiconductor wafers are bonded together, the repulsive force causes a positional shift of one semiconductor wafer relative to the other semiconductor wafer, resulting in a problem of reduced bonding accuracy between the semiconductor wafers.
Therefore, the third embodiment has been invented to solve the above problems, and provides a wafer bonding apparatus and a wafer bonding method that have a simple configuration and prevent misalignment when semiconductor wafers are bonded together in a semiconductor manufacturing process.
図10及び図11は、単極型の静電チャック78と双極型の静電チャック80の構造を図示する。各静電チャック78、80の材質には、例えば、酸化アルミニウム(Al2O3)や窒化アルミニウム(AIN)などの絶縁材料が使用されている。絶縁体の中に電極が内蔵された構造になっており、この電極に電圧を印加することで半導体ウエーハW1、W2等の被吸着体86、92を吸着する。
Figures 10 and 11 show the structure of a monopolar
図10に示す単極型の静電チャック78は、単極型のものであり、ベース基盤82と、ベース基盤82上に配置された内部電極(電極シート又はポリイミドフィルム電極層ともいう)84と、を有している。ベース基盤82は、内部電極84に対して正(プラス)又は負(マイナス)のいずれか一方の電圧を印加する。例えば、内部電極84に対して正(プラス)の電圧を印加すると、被吸着体86の表面には負(マイナス)の電荷が移動して、被吸着体86が単極型の静電チャック78に吸着される。また、内部電極84に対して負(マイナス)の電圧を印加すると、被吸着体86の表面には正(プラス)の電荷が移動して、被吸着体86が単極型の静電チャック78に吸着される。
The monopolar
図11に示す静電チャック80は、双極型のものであり、ベース基盤88と、ベース基盤88上に配置された内部電極(電極シート又はポリイミドフィルム電極層ともいう)90と、を有している。ベース基盤88は、内部電極90に対して正(プラス)及び負(マイナス)の両方の電圧を印加する。例えば、正(プラス)に印加された内部電極90に対向する被吸着体92の表面には負(マイナス)の電荷が移動し、負(マイナス)に印加された内部電極90に対向する被吸着体92の表面には正(マイナス)の電荷が移動して、被吸着体92が双極型の静電チャック80に吸着される。
The
第3実施形態では、半導体ウエーハの接合装置に双極型の静電チャックが使用されている例を説明する。図12に示すように、静電チャック80は、第1のステージ36及び第2のステージ38にそれぞれ内蔵されていることが好ましい。説明の便宜上、第1のステージ36に内蔵されている静電チャック80を第1の静電チャック80Aと称し、第2のステージ38に内蔵されている静電チャック80を第2の静電チャック80Bと称する。各静電チャック80A、80Bは、例えば双極型のものである。第1のステージ36及び第2のステージ38が対向して配置されているため、各々の静電チャック80A、80Bは相互に対向した位置に配置されており、これにより一対の静電チャックを構成する。
In the third embodiment, an example in which a bipolar electrostatic chuck is used in a semiconductor wafer bonding device will be described. As shown in FIG. 12, the
第1の静電チャック80Aは、第1のベース基盤88Aと、第1のベース基盤88A上に配置された第1の内部電極90Aと、を有している。第1の内部電極90Aはアース接続されている。第1のベース基盤88Aは、第1の内部電極90Aに対して印加する電圧を制御する。第1の内部電極90Aは、2つ以上の隣接する第1の単位電極91Aで構成されており、相互に隣接する第1の単位電極91A同士において正(プラス)と負(マイナス)で相互に逆転する電圧がそれぞれ印加される。
The first
第2の静電チャック80Bは、第1の静電チャック80Aに対向する位置に配置されている。第2の静電チャック80Bは、第1の静電チャック80Aの構成と同様に、第2のベース基盤88Bと、第2のベース基盤88B上に配置された第2の内部電極90Bと、を有している。第2の内部電極90Bはアース接続されている。第2のベース基盤88Bは、第2の内部電極90Bに対して印加する電圧を制御する。第2の内部電極90Bは、2つ以上の隣接する第2の単位電極91Bで構成されており、相互に隣接する第2の単位電極91B同士において正(プラス)と負(マイナス)で相互に逆転する電圧がそれぞれ印加される。
The second
ここで、第1の静電チャック80A側の第1の単位電極91Aと、当該第1の単位電極91Aに対向する第2の静電チャック80B側の第2の単位電極91Bには、それぞれ逆極性(正と負)になる電圧が印加されるように第1のベース基盤88A及び第2のベース基盤88Bにより制御される。このため、第1の静電チャック80Aの第1の内部電極90Aのうち負(マイナス)の電圧に印加される第1の単位電極91Aが、第2の静電チャック80Bの第2の内部電極90Bのうち正(プラス)の電圧に印加される第2の単位電極91Bと対向する位置になる。また同様に、第1の静電チャック80Aの第1の内部電極90Aのうち正(プラス)の電圧に印加される第1の単位電極91Aが、第2の静電チャック80Bの第2の内部電極90Bのうち負(マイナス)の電圧に印加される第1の単位電極91Bと対向する位置になる。
Here, the
双極型の静電チャック80の一般的な原理として、第1の静電チャック80Aに半導体ウエーハW1、第2の静電チャック80Bに半導体ウエーハW2をそれぞれ載せた状態で、第1の内部電極90A及び第2の内部電極90Bに対してプラスとマイナスの電圧をそれぞれ印加する。これにより、半導体ウエーハW1、W2のプラスとマイナスの電荷が、それらに対向する各々の内部電極90A、90Bに対して引き合うように移動する(誘電分極)。その結果、第1の内部電極90Aと半導体ウエーハW1との間、及び第2の内部電極90Bと半導体ウエーハW2との間に吸着力が発生して半導体ウエーハW1、W2が固定されるという仕組みである。
The general principle of the bipolar
図10に示すように、一般的に、単極型の静電チャック78では、被吸着体(半導体ウエーハなど)86と内部電極84(チャック、保持装置ともいう)との間に電圧を印加することにより、被吸着体(半導体ウエーハなど)86の表面に電荷が発生する。具体的には、内部電極84が正(プラス)に帯電していれば、これに対向する被吸着体(半導体ウエーハなど)86の表面は負(マイナス)に帯電し、また内部電極84が負(マイナス)に帯電していれば、これに対向する被吸着体(半導体ウエーハなど)86の表面は正(プラス)に帯電している。この原理は、図11に示す双極型の静電チャック80においても同様である。
As shown in FIG. 10, in a monopolar
通常、プラズマ処理が施されて活性化した後の半導体ウエーハW1、W2の表面はマイナス(又はプラスの場合も有り得る)に帯電する。このため、表面がマイナス同士(又はプラス同士)の半導体ウエーハW1、W2を接合しようとすると、両者は電気的に反発する。このような状態において、半導体ウエーハW1、W2同士を強引に貼り合わせすると、相互に反発して位置ずれが生じてしまい、半導体ウエーハW1、W2の接合精度が低下する事態に至る。 Normally, the surfaces of the semiconductor wafers W1 and W2 are negatively (or positively) charged after being activated by plasma processing. For this reason, when attempting to bond semiconductor wafers W1 and W2 with mutually negative (or mutually positive) surfaces, they are electrically repelled. In this state, if the semiconductor wafers W1 and W2 are forcibly bonded together, they will repel each other, causing misalignment, resulting in a situation in which the bonding accuracy of the semiconductor wafers W1 and W2 is reduced.
第3実施形態では、図12に示すように、相互に対向する一方側の半導体ウエーハW1の表面を正(負)に帯電させ、他方側の半導体ウエーハW2の表面を負(正)に帯電させることにより、接合される半導体ウエーハ同士を逆極性に帯電した状態を意図的に作り上げる。これにより、両者の間に発生するファンデルワールス力(分子間力)とクーロン力(静電気力)の双方を利用して吸着力を向上させ、半導体ウエーハW1、W2同士の接合をアシストする発明である。 In the third embodiment, as shown in FIG. 12, the surface of one of the opposing semiconductor wafers W1 is positively (negatively) charged, and the surface of the other semiconductor wafer W2 is negatively (positively) charged, intentionally creating a state in which the semiconductor wafers to be bonded are charged with opposite polarities. This makes use of both the van der Waals force (intermolecular force) and the Coulomb force (electrostatic force) that are generated between the two to improve the adhesion force, and assists in bonding the semiconductor wafers W1 and W2 together.
一般に、マイナスの静電気を帯びた物同士(あるいはプラスに帯電した物同士)を合わせると反発する。これは静電気の基本的な性質の一つであり、同じ符号の電荷同士(例えば、両方がマイナス電荷をもつ場合など)は互いに反発し合い、逆極性の電荷同士(例えば、一方がプラス、他方がマイナスなど)は互いに引き合う。第3実施形態では、この性質を利用するものである。 In general, when negatively charged objects (or positively charged objects) are brought together, they repel each other. This is one of the basic properties of static electricity; charges of the same sign (for example, both negative charges) repel each other, while charges of opposite polarity (for example, one positive and the other negative) attract each other. The third embodiment makes use of this property.
相互に異なる極性(逆極性)となるように帯電した半導体ウエーハW1、W2は、放電を行わない程度の表面間の電圧で制御し、正(プラス)に帯電した半導体ウエーハW1(あるいはW2)と、負(マイナス)に帯電した半導体ウエーハW2(あるいはW1)との接触により、電子が正(プラス)に帯電した物体から負(マイナス)に帯電した物体に移動することにより、電荷が中和される。これにより、静電気の効果が弱まると同時に貼り合わせ時のボンディング吸着力が増大される。 The semiconductor wafers W1 and W2, which are charged to opposite polarities, are controlled by a voltage between their surfaces that does not cause discharge, and when the positively charged semiconductor wafer W1 (or W2) comes into contact with the negatively charged semiconductor wafer W2 (or W1), electrons move from the positively charged object to the negatively charged object, neutralizing the charge. This weakens the effect of static electricity and at the same time increases the bonding adhesion force when the wafers are bonded together.
一般的な双極型の静電チャックでは、正(プラス)側と負(マイナス)側で同じ大きさ(絶対値の大きさ)の電圧を印加することにより半導体ウエーハの表面を電気的な平衡状態を維持している。 In a typical bipolar electrostatic chuck, the surface of the semiconductor wafer is kept in electrical equilibrium by applying voltages of the same magnitude (absolute value) to the positive and negative sides.
これに対して、第3実施形態では、正(プラス)と負(マイナス)で同じ大きさ(絶対値の大きさ)の電圧を印加するのではなく、敢えて異なる大きさの電圧を印加して、正(プラス)又は負(マイナス)のバランスを意図的に崩すように設定されている。換言すれば、正(プラス)の電圧と負(マイナス)の電圧との間において印加電圧の大きさの観点からアンバランスの状態を作る。 In contrast, in the third embodiment, instead of applying voltages of the same magnitude (absolute value) for positive and negative, voltages of different magnitudes are applied to intentionally disrupt the positive or negative balance. In other words, an imbalance is created between the positive and negative voltages in terms of the magnitude of the applied voltage.
図12に示すように、例えば、第1の静電チャック80Aの第1の内部電極90Aを構成する一方側の第1の単位電極91Aに対して-400ボルトの電圧を印加し、他方側の第1の単位電極91Aに対して+500ボルトの電圧を印加する。同時に、第2の静電チャック80Bの第2の内部電極90Bを構成する一方側の第2の単位電極91Bに対して+400ボルトの電圧を印加し、他方側の第2の単位電極91Bに対して-500ボルトの電圧を印加する。
As shown in FIG. 12, for example, a voltage of -400 volts is applied to the
ここでは、第1の静電チャック80Aの第1の内部電極90Aのうち、-400ボルトの電圧が印加される一方側の第1の単位電極91Aと、第2の静電チャック80Bの第2の内部電極90Bのうち、+400ボルトの電圧が印加される一方側の第2の単位電極91Bと、が対向する位置になるように設定される。これらは、正と負で極性が異なるものの、絶対値の大きさとして同じ大きさの電圧が印加される。
Here, the
また、第1の静電チャック80Aの第1の内部電極90Aのうち、+500ボルトの電圧が印加される他方側の第1の単位電極91Aと、第2の静電チャック80Bの第2の内部電極90Bのうち、-500ボルトの電圧が印加される他方側の第2の単位電極91Bと、が対向する位置になるように設定される。これらは、正と負で極性が異なるものの、絶対値の大きさとして同じ大きさの電圧が印加される。
The
これらにより、第1の静電チャック80Aにして対向する半導体ウエーハW1の表面には、第1の静電チャック80Aの+500ボルトと-400ボルトの差分である+100ボルトの電荷が帯電した状態になる。同様にして、第2の静電チャック80Bにして対向する半導体ウエーハW2の表面には、第2の静電チャック80Bの+400ボルトと-500ボルトの差分である-100ボルトの電荷が帯電した状態になる。
As a result, the surface of the semiconductor wafer W1 facing the first
このとき、半導体ウエーハW1、W2の表面にフローディング電荷が発生する。これにより、相互に対向する内部電極90A、90B同士(あるいは単位電極同士)に逆電圧を印加することにより強力なクーロン力で半導体ウエーハW1、W2同士が引き付けられて貼り合わされる。この結果、半導体ウエーハW1、W2同士の貼り合わせ時におけるバブルの発生を抑制できる。
At this time, floating charges are generated on the surfaces of the semiconductor wafers W1 and W2. As a result, by applying a reverse voltage to the mutually opposing
ここで、一対の静電チャック80A、80Bで保持された半導体ウエーハW1、W2同士は、両者の離間間隔が10μm以上50μm以下とした微小空間SP(ミニマル空間)の環境に置かれることが好ましい。微小空間SPでは、半導体ウエーハW1、W2同士が当該半導体ウエーハW1、W2の平面姿勢を維持しながら接合される。なお、微小空間SPの定義及び作用効果は、第2実施形態で説明したとおりである。
Here, the semiconductor wafers W1 and W2 held by the pair of
微小空間SPでは、各半導体ウエーハW1、W2が各静電チャック80A、80Bに吸着した状態で、必要に応じて、第1のステージ36及び第2のステージ38の一方又は両方を重力方向に沿って駆動装置46により移動させることにより、両者を接近させる。このとき、半導体ウエーハW1、W2同士が逆極性の電荷を帯電するため、両者の間にファンデルワールス力(分子間力)とクーロン力(静電気力)が発生する。これら双方の力を利用して、微小空間SPに置かれた半導体ウエーハW1、W2同士の吸着力を向上させ、真空環境下において例えばピストンロッドを用いることなく、半導体ウエーハW1、W2同士が相互に引き付けられて接合される。
In the microspace SP, with each semiconductor wafer W1, W2 attracted to each
特に、半導体ウエーハW1、W2同士がプラスの電荷とマイナス電荷をそれぞれ保持するため、両者は引き寄せ合い、ファンデルワールス分子結合をアシストする。このため、半導体ウエーハW1、W2同士の接合において両者の間に発生する吸着力が増大し、接合時の半導体ウエーハW1、W2同士の位置ずれが防止できるのである。 In particular, because the semiconductor wafers W1 and W2 each carry a positive charge and a negative charge, they attract each other and assist the van der Waals molecular bonds. This increases the adhesive force that occurs between the semiconductor wafers W1 and W2 when they are bonded together, preventing misalignment of the semiconductor wafers W1 and W2 when they are bonded together.
なお、双極型の静電チャック80の電極配置は、上側に位置する第1のステージ36と、下側に位置する第2のステージ38で互いに異なる極性(逆極性)を配置することにより、半導体ウエーハW1、W2の貼り合わせ後の電圧は、プラス側からマイナス側に流れるため、OH基(水酸基)のファンデルワールス力をアシストできる。
The bipolar
ファンデルワールス力(分子間力、分子間相互作用力)は、物質が液体又は固定の状態にある場合、原子又は分子が非常に近い距離に存在するため発生する。ファンデルワールス力は、物質の凝集状態において重要な役割を果たし、物質同士の接触又は結合に影響を与えるものである。 Van der Waals forces (intermolecular forces, intermolecular interaction forces) occur when a substance is in a liquid or solid state because atoms or molecules are very close to each other. Van der Waals forces play an important role in the cohesive state of substances and affect the contact or bonding between substances.
さらに、ファンデルワールス力と静電気力とは異なる力であるが、物質の相互作用において同時に影響を与えることがある。ファンデルワールス力は、非極性分子同士の間、及び非極性分子と極性分子との間で働く力であり、瞬間的な電子の分布に起因する。これに対し、静電気力とは、電気的な荷電粒子(通常は電子や陽子)が相互に引き寄せ又は反発し合う現象である。 Furthermore, van der Waals forces and electrostatic forces are different forces that can simultaneously affect the interaction of materials. Van der Waals forces are forces that act between non-polar molecules and between non-polar and polar molecules, and are caused by the instantaneous distribution of electrons. In contrast, electrostatic forces are the mutual attraction or repulsion of electrically charged particles (usually electrons and protons).
物質が静電気的に帯電している場合、電場が形成され、周囲の分子又は原子に影響を与えることがある。また、この電場がファンデルワールス力に対して影響を与える可能性がある。具体的には、静電気的な相互作用によって分子又は原子が配置され、これによりファンデルワールス力を変化させたり、分子同士の相対的な極性を変えたりすることにより、半導体ウエーハW1、W2同士の貼り合わせ時の吸着力を助長する。 When a substance is electrostatically charged, an electric field is formed that can affect surrounding molecules or atoms. This electric field can also affect van der Waals forces. Specifically, the molecules or atoms are arranged by electrostatic interactions, which can change the van der Waals forces or the relative polarity of the molecules, thereby enhancing the adhesive force when the semiconductor wafers W1 and W2 are bonded together.
なお、本実施形態及び実施例は、本発明の一態様を示したものであり、本発明がこれに限られるものではない。本実施形態及び実施例に対する設計変更程度の差異は、当然に、本発明の技術的思想の範囲内に含まれる。 Note that this embodiment and examples show one aspect of the present invention, and the present invention is not limited thereto. Differences in the degree of design changes to this embodiment and examples are naturally included within the scope of the technical concept of the present invention.
10 プラズマチャンバ
12 ゲートバルブ
14 チャンバ
16 ステージ
18 洗浄機
20 回転テーブル
22 回転モータ
24 洗浄ノズル
26 揺動モータ
28 洗浄水
30 アルゴンガス
32 揺動ノズル
34 半導体ウエーハの接合装置
36 第1のステージ
38 第2のステージ
40 第1の水平面
42 第2の水平面
44 支持台
46 駆動装置
48 シール部材
50 真空制御装置(真空制御部)
52 オリフィス
54 管状部材
56 切替バルブ
58 真空制御ユニット
60 真空制御チャンバ(真空制御部)
62 ポンプユニット
64 ガスユニット
66 圧力計
68 隔壁バルブ
70 温度調整機構
72 接触面積低減部
74 第1の突状部材
76 第2の突状部材
78 単極型の静電チャック
80 双極型の静電チャック
80A 第1の静電チャック
80B 第2の静電チャック
82 ベース基盤
84 内部電極
86 被吸着体
88 ベース基盤
88A 第1のベース基盤
88B 第2のベース基盤
90 内部電極
90A 第1の内部電極
90B 第2の内部電極
91A 第1の単位電極
91B 第2の単位電極
92 被吸着体
SP 微小空間(ミニマル空間)
W1 半導体ウエーハ
W2 半導体ウエーハ
10
52
62
W1 Semiconductor wafer W2 Semiconductor wafer
Claims (6)
前記静電チャックは正及び負の電圧を印加可能な双曲型であり、相互に対向した前記静電チャックの一方側と他方側には絶対値がそれぞれ異なる逆極性の電圧を印加し、相互に対向した前記半導体ウエーハが逆極性となる状態で電位差を生じさせることにより、
一対の前記静電チャックにより保持された前記半導体ウエーハ同士が、真空環境下においてピストンロッドを用いず、ファンデルワールス力とクーロン力とにより相互に引き合い接合する、半導体ウエーハの接合装置。 A semiconductor wafer bonding apparatus, comprising: a pair of electrostatic chucks disposed at positions facing each other on a stage supporting semiconductor wafers; and, in a state in which the semiconductor wafers are attracted to the electrostatic chucks, the semiconductor wafers facing each other are bonded to each other,
The electrostatic chuck is a hyperbolic type to which positive and negative voltages can be applied, and voltages of opposite polarities having different absolute values are applied to one side and the other side of the electrostatic chucks facing each other, thereby generating a potential difference in a state in which the semiconductor wafers facing each other have opposite polarities,
The semiconductor wafer bonding apparatus includes a pair of the electrostatic chucks, and the semiconductor wafers are bonded to each other by Van der Waals force and Coulomb force in a vacuum environment without using a piston rod .
一方の前記静電チャックは相互に隣接する複数の内部電極を備えた双極型であり、隣接する前記内部電極には相互に極性の大きさの絶対値が異なる逆極性の電圧を印加し、
他方の前記静電チャックは相互に隣接する複数の内部電極を備えた双極型であり、隣接する前記内部電極には相互に極性の大きさの絶対値が異なる逆極性の電圧を印加し、かつ対向配置した一方の前記静電チャックの内部電極とは逆極性の電圧を印加し、
一方の前記静電チャックに保持された前記半導体ウエーハと、他方の前記静電チャックに保持された前記半導体ウエーハとが逆極性となる状態で電位差を生じさせることにより、
一対の前記静電チャックにより保持された前記半導体ウエーハ同士が、真空環境下においてピストンロッドを用いず、ファンデルワールス力とクーロン力とにより相互に引き合い接合する、半導体ウエーハの接合装置。 A semiconductor wafer bonding apparatus, comprising: a pair of electrostatic chucks disposed at positions facing each other on a stage supporting semiconductor wafers; and, in a state in which the semiconductor wafers are attracted to the electrostatic chucks, the semiconductor wafers facing each other are bonded to each other,
One of the electrostatic chucks is a bipolar type having a plurality of internal electrodes adjacent to each other, and voltages of opposite polarities, the absolute values of which are different from each other, are applied to the adjacent internal electrodes,
the other electrostatic chuck is a bipolar type having a plurality of mutually adjacent internal electrodes, and voltages of opposite polarities, the absolute values of which are different from each other, are applied to the adjacent internal electrodes, and a voltage of opposite polarity is applied to the internal electrodes of the one electrostatic chuck disposed opposite to each other;
A potential difference is generated in a state in which the semiconductor wafer held by one electrostatic chuck and the semiconductor wafer held by the other electrostatic chuck have opposite polarities ,
The semiconductor wafer bonding apparatus includes a pair of the electrostatic chucks, and the semiconductor wafers are bonded to each other by Van der Waals force and Coulomb force in a vacuum environment without using a piston rod .
前記静電チャックは正及び負の電圧を印加可能な双曲型であり、相互に対向した前記静電チャックの一方側と他方側には絶対値がそれぞれ異なる逆極性の電圧を印加し、相互に対向した前記半導体ウエーハが逆極性となる状態で電位差を生じさせることにより、
一対の前記静電チャックにより保持された前記半導体ウエーハ同士が、真空環境下においてピストンロッドを用いず、ファンデルワールス力とクーロン力とにより相互に引き合い接合する、半導体ウエーハの接合方法。 A method for bonding semiconductor wafers, comprising: disposing a pair of electrostatic chucks at positions facing each other on a stage supporting semiconductor wafers; and bonding the semiconductor wafers facing each other in a state in which the semiconductor wafers are attracted to the electrostatic chucks, the method comprising the steps of:
The electrostatic chuck is a hyperbolic type to which positive and negative voltages can be applied, and voltages of opposite polarities having different absolute values are applied to one side and the other side of the electrostatic chucks facing each other, thereby generating a potential difference in a state in which the semiconductor wafers facing each other have opposite polarities,
The semiconductor wafer bonding method includes bonding the semiconductor wafers held by the pair of electrostatic chucks in a vacuum environment by mutual attraction and bonding using van der Waals force and Coulomb force without using a piston rod .
一方の前記静電チャックは相互に隣接する複数の内部電極を備えた双極型であり、隣接する前記内部電極には相互に極性の大きさの絶対値が異なる逆極性の電圧を印加し、
他方の前記静電チャックは相互に隣接する複数の内部電極を備えた双極型であり、隣接する前記内部電極には相互に極性の大きさの絶対値が異なる逆極性の電圧を印加し、かつ対向配置した一方の前記静電チャックの内部電極とは逆極性の電圧を印加し、
一方の前記静電チャックに保持された前記半導体ウエーハと、他方の前記静電チャックに保持された前記半導体ウエーハとが逆極性となる状態で電位差を生じさせることにより、
一対の前記静電チャックにより保持された前記半導体ウエーハ同士が、真空環境下においてピストンロッドを用いず、ファンデルワールス力とクーロン力とにより相互に引き合い接合する、半導体ウエーハの接合方法。 A method for bonding semiconductor wafers, comprising: disposing a pair of electrostatic chucks at positions facing each other on a stage supporting semiconductor wafers; and bonding the semiconductor wafers facing each other in a state in which the semiconductor wafers are attracted to the electrostatic chucks, the method comprising the steps of:
One of the electrostatic chucks is a bipolar type having a plurality of internal electrodes adjacent to each other, and voltages of opposite polarities, the absolute values of which are different from each other, are applied to the adjacent internal electrodes,
the other electrostatic chuck is a bipolar type having a plurality of mutually adjacent internal electrodes, and voltages of opposite polarities, the absolute values of which are different from each other, are applied to the adjacent internal electrodes, and a voltage of opposite polarity is applied to the internal electrodes of the one electrostatic chuck disposed opposite to each other;
A potential difference is generated in a state in which the semiconductor wafer held by one electrostatic chuck and the semiconductor wafer held by the other electrostatic chuck have opposite polarities,
The semiconductor wafer bonding method includes bonding the semiconductor wafers held by the pair of electrostatic chucks in a vacuum environment by mutual attraction and bonding using van der Waals force and Coulomb force without using a piston rod .
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP7579617B1 (en) * | 2024-08-06 | 2024-11-08 | SHW Technologies Japan合同会社 | Semiconductor wafer bonding apparatus and bonding method |
| JP7645524B1 (en) * | 2024-10-21 | 2025-03-14 | SHW Technologies Japan合同会社 | Semiconductor wafer bonding apparatus and bonding method |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004233672A (en) * | 2003-01-30 | 2004-08-19 | Shin-Etsu Engineering Co Ltd | Substrate bonding equipment |
| US20050092816A1 (en) * | 2002-03-20 | 2005-05-05 | Lee Sang S. | Stage structure in bonding machine and method for controlling the same |
| JP2006332563A (en) * | 2005-05-30 | 2006-12-07 | Nikon Corp | Wafer transfer device, wafer stack transfer device, and stacked semiconductor device manufacturing method |
| JP2008262971A (en) * | 2007-04-10 | 2008-10-30 | Nikon Corp | Substrate holder, substrate bonding apparatus, and substrate bonding method |
| JP2014113633A (en) * | 2012-12-12 | 2014-06-26 | Bondtech Inc | Bonding method and bonding device |
| JP2015008228A (en) * | 2013-06-25 | 2015-01-15 | ボンドテック株式会社 | Substrate bonding method |
| JP2015146339A (en) * | 2014-01-31 | 2015-08-13 | 東京エレクトロン株式会社 | Bonding device, bonding system and bonding method |
| JP2016195145A (en) * | 2015-03-31 | 2016-11-17 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Plasma processing apparatus and plasma processing method |
Family Cites Families (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| AU2002251690A1 (en) * | 2000-12-13 | 2002-08-12 | Rochester Institute Of Technology | A method and system for electrostatic bonding |
| JP2002357838A (en) * | 2001-05-31 | 2002-12-13 | Hitachi Industries Co Ltd | Substrate bonding method and apparatus |
| KR20090093554A (en) * | 2008-02-29 | 2009-09-02 | 주식회사 에이디피엔지니어링 | Apparatus and method for bonding substrate |
| US10153190B2 (en) * | 2014-02-05 | 2018-12-11 | Micron Technology, Inc. | Devices, systems and methods for electrostatic force enhanced semiconductor bonding |
| JP6140624B2 (en) * | 2014-02-27 | 2017-05-31 | 東京エレクトロン株式会社 | Substrate holding method, substrate holding apparatus and bonding apparatus |
| JP6165127B2 (en) * | 2014-12-22 | 2017-07-19 | 三菱重工工作機械株式会社 | Semiconductor device and manufacturing method of semiconductor device |
-
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Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050092816A1 (en) * | 2002-03-20 | 2005-05-05 | Lee Sang S. | Stage structure in bonding machine and method for controlling the same |
| JP2004233672A (en) * | 2003-01-30 | 2004-08-19 | Shin-Etsu Engineering Co Ltd | Substrate bonding equipment |
| JP2006332563A (en) * | 2005-05-30 | 2006-12-07 | Nikon Corp | Wafer transfer device, wafer stack transfer device, and stacked semiconductor device manufacturing method |
| JP2008262971A (en) * | 2007-04-10 | 2008-10-30 | Nikon Corp | Substrate holder, substrate bonding apparatus, and substrate bonding method |
| JP2014113633A (en) * | 2012-12-12 | 2014-06-26 | Bondtech Inc | Bonding method and bonding device |
| JP2015008228A (en) * | 2013-06-25 | 2015-01-15 | ボンドテック株式会社 | Substrate bonding method |
| JP2015146339A (en) * | 2014-01-31 | 2015-08-13 | 東京エレクトロン株式会社 | Bonding device, bonding system and bonding method |
| JP2016195145A (en) * | 2015-03-31 | 2016-11-17 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | Plasma processing apparatus and plasma processing method |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP7579617B1 (en) * | 2024-08-06 | 2024-11-08 | SHW Technologies Japan合同会社 | Semiconductor wafer bonding apparatus and bonding method |
| JP7579616B1 (en) * | 2024-08-06 | 2024-11-08 | SHW Technologies Japan合同会社 | Semiconductor wafer bonding apparatus and bonding method |
| JP7645524B1 (en) * | 2024-10-21 | 2025-03-14 | SHW Technologies Japan合同会社 | Semiconductor wafer bonding apparatus and bonding method |
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