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KR20150023507A - 금속/금속 결합을 가지는 복합 구조체의 생산방법 - Google Patents

금속/금속 결합을 가지는 복합 구조체의 생산방법 Download PDF

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KR20150023507A
KR20150023507A KR20147036622A KR20147036622A KR20150023507A KR 20150023507 A KR20150023507 A KR 20150023507A KR 20147036622 A KR20147036622 A KR 20147036622A KR 20147036622 A KR20147036622 A KR 20147036622A KR 20150023507 A KR20150023507 A KR 20150023507A
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KR
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wafer
bonding
wafers
less
silicon
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KR20147036622A
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이오누트 라두
마르셀 브뢰카르트
아르노 카스텍스
구엘타즈 고댕
그레고리 리우
Original Assignee
소이텍
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Abstract

복합 구조체의 제조방법이 개시된다. 본 제조방법은, 제1 웨이퍼 및 제2 웨이퍼 사이의 결합 인터페이스가 결합 웨이브의 전파 이후에 0.7J/m2 이하의 결합 에너지를 가지는 결합 웨이브의 전파 개시 단계 및 제1 웨이퍼 및 제2 웨이퍼의 결합 동안 유도된 스트레스 수준의 측정 단계로서, 스트레스 수준은 Ct = Rc/Ep 공식을 이용하여 계산되는 스트레스 변수 Ct에 기초하여 결정되고, 여기에서, Rc는 제1 웨이퍼 및 제2 웨이퍼 어셈블리의 곡률 반경(km)에 대응하고, Ep는 제1 웨이퍼 및 제2 웨이퍼 어셈블리의 두께(㎛)에 대응하고, 결정된 스트레스 수준 Ct가 0.07 이상일 때 결합을 유효화하는 단계를 포함하고, 결합 웨이브의 전파 개시 단계는, 20 mbar 미만의 압력의 환경 및 0.1 MPa 내지 33.3 MPa 사이의 기계적 압력을 두 웨이퍼 중 어느 하나에 적용하는 조건 중 적어도 하나의 조건 하에서 수행되는 것을 특징으로 한다.

Description

금속/금속 결합을 가지는 복합 구조체의 생산방법{METHOD FOR PRODUCING COMPOSITE STRUCTURE WITH METAL/METAL BONDING}
본 발명은 적어도 하나의 제1 웨이퍼와 제2 웨이퍼의 직결합(direct bonding) (또는 분자 접착 결합)을 포함하는 구조의 제조에 대한 것으로서, 상기 도출 결합 인터페이스는 500℃에서의 결합 강화 베이크(bonding reinforcement bake) 이후에도, 0.7J/m2 이하의 제한 결합 에너지를 갖는다.
결합 인터페이스에서 도출되는 결합 에너지가 상대적으로 제한되는 직결합 케이스가 다수 존재한다. 예를 들어, 상기 직결합이 낮은 자기 확산 계수(self-diffusion coefficient) D, 즉 D<10-50m2/S를 가지는 금속 물질, 예를 들어 텅스텐(tungsten), 알루미늄(aluminium), 탄탈럼(tantalum), 철(iron), 몰리브덴(molybdenum), 크로뮴(chromium), 루테늄(ruthenium), 니켈(nickel), 백금(platinum)으로 제조 또는 커버된 두 개의 웨이퍼 사이에서 수행될 때 그러한 케이스가 된다. 소수성 Si/Si 결합(즉, 결합 산화물층이 없는 경우), SiN/SiN 결합 또는 다른 물질의 조합 등과 같은 다른 형태의 직결합이 존재하고, 이 결합 에너지는 제한적으로 남는다. 이러한 모든 결합은 500℃에서의 결합 강화 베이크(bonding reinforcement bake) 이후에 통상적으로 0.7J/m2 미만의 결합 에너지에 의하여 특징지고, 반면 예를 들어 상기 산화물-대-산화물 결합의 경우 결합 에너지는, 통상적으로 1 J/m2 보다 더 크다.
이런 낮은 결합 에너지로 인하여, 연속 처리 공정에서, 특히 온도 증가와 관련되는 처리의 동안 두 웨이퍼 사이에 부분적 또는 전체 분리의 위험이 존재한다.
상기 부분 또는 전체 분리는 상기 결합 인터페이스에서 스트레스의 증가에 의하여 야기되고, 이는 결합력과 반대된다. 온도 증가 동안 나타나는 상기 결합 인터페이스에서의 스트레스는 특히 두 웨이퍼 사이의 열적 팽창의 계수에서 차이에 의하여 특히 야기되거나, 또는 상기 결합면에서 존재하는 금속 물질의 팽창에 의하여 야기된다. 스트레스의 일차적 원인이 상기 결합면 상에 위치하는 물질과 직접적으로 연관되기에, 이들을 감소시키는 것은 쉽지 않다.
그러나, 본 출원은 상기 결합 인터페이스에 존재하는 스트레스가 결합 그 자체의 단계로부터 기원됨을 발견하였다. 결합 웨이브(bonding wave)의 전파 개시를 위하여 상기 두 웨이퍼 사이의 기계적 압력의 개시는 특정 양의 에너지의 축적이 일어나도록 하고, 이는 상기 결합 에너지에 반대되며 결과적으로 상기 웨이퍼들의 분리에 책임이 있다.
상기 결합 인터페이스의 스트레스가 일정 수준을 넘어서면, 상기 어셈블리의 연이은 처리 (열적, 화학적 또는 화학기계적 처리) 동안 분리 위험이 매우 높게 된다.
결과적으로, 상기 결합 시점에 저장된 스트레스의 감소에 대한 요구 및 분리 위험의 회피를 위한 근거로서 사용될 수 있는 상기 결합 인터페이스에서의 스트레스 수준의 평가에 대한 요구가 존재한다.
상기 목적을 위하여, 본 발명은 적어도 하나의 제1 웨이퍼와 제2 웨이퍼의 직결합 단계를 포함하는 복합 구조체의 제조방법에 있어서, 상기 제1 웨이퍼 및 상기 제2 웨이퍼 사이의 결합 인터페이스가 결합 웨이브의 전파 이후에 0.7J/m2 이하의 결합 에너지를 가지는 결합 웨이브의 전파 개시 단계 및 상기 두 웨이퍼의 결합 동안 유도된 스트레스 수준의 측정 단계로서, 상기 스트레스 수준은 Ct = Rc/Ep 공식을 이용하여 계산되는 스트레스 변수 Ct에 기초하여 결정되고, 여기에서, Rc는 상기 두-웨이퍼 어셈블리의 곡률 반경(km)에 대응하고, Ep는 상기 두-웨이퍼 어셈블리의 두께(㎛)에 대응하고, 상기 결정된 스트레스 수준 Ct가 0.07 이상일 때 상기 결합을 유효화하는 단계를 포함하고, 상기 결합 웨이브의 전파 개시 단계는, 20 mbar 미만의 압력의 환경 및 0.1 MPa 내지 33.3 MPa 사이의 기계적 압력을 상기 두 웨이퍼 중 어느 하나에 적용하는 조건 중 적어도 하나의 조건 하에서 수행되는 것을 특징으로 한다.
따라서, 본 발명의 방법은 야기되는 변형을 감소시킴으로써, 상기 방법 동안 상기 결합 인터페이스에서 축적될 수 있는 스트레스에서의 감소뿐만 아니라, 잔여 스트레스 수준의 평가 및 상기 평가에 의존한 결합의 유효성을 제안한다.
본 발명의 방법에 의하여, 오직 상기 결합의 품질이 연속 처리 공정에서 분리를 예방하기에 충분할 때 직접 금속-금속 결합에 의하여 획득된 웨이퍼 어셈블리를 상기 어셈블리의 연속 처리와 같은 방식, 즉, 구조의 제조가 수행되는 것이 가능하다. 이 방법으로 구조의 제조 동안 거부율(reject rate)에 있어서 현저한 감소가 성취되어 그로 인하여 생산성 증가가 된다.
본 발명의 방법의 제1 측면에 따라, 상기 결합 웨이브의 전파 개시 단계 동안, 상기 두 웨이퍼 중 적어도 어느 하나는 평탄도(planarity)에서 2㎛ 이하의 편차를 가지는 지지 상에서 평탄해진다.
본 발명의 방법의 제2 측면에 따라, 각 웨이퍼는 텅스텐(tungsten), 알루미늄(aluminium), 탄탈럼(tantalum), 철(iron), 몰리브덴(molybdenum), 크로뮴(chromium), 루테늄(ruthenium), 니켈(nickel), 백금(platinum), 실리콘 질화물(silicon nitride) 및 실리콘(silicon) 중 적어도 하나의 선택된 물질을 그 결합면에 포함한다. 상기 웨이퍼는 이들 물질들 중 어느 하나로부터 제조되거나 상기 물질들 중 어느 하나로 그 결합면이 커버된다.
본 발명의 방법의 제3 측면에 따라, 상기 웨이퍼 중 적어도 어느 하나는 텅스텐(tungsten), 알루미늄(aluminium), 탄탈럼(tantalum), 철(iron), 몰리브덴(molybdenum), 크로뮴(chromium), 루테늄(ruthenium), 니켈(nickel), 백금(platinum), 실리콘 질화물(silicon nitride) 및 실리콘(silicon) 중 적어도 하나의 선택된 물질층으로 커버된 실리콘 기질로 구성되어 상기 웨이퍼의 결합면을 형성한다.
본 발명의 방법의 제4 측면에 따라, 상기 방법은 스트레스 수준이 유효한 경우에 있어서, 500℃와 동일 또는 그 미만의 온도에서 수행되는 어셈블리의 열 처리 단계 및 상기 두 웨이퍼 중 어느 하나의 화학적 또는 화학적-기계적 시닝(thinning) 단계 중 적어도 하나의 단계를 더 포함한다.
본 발명은 제2 웨이퍼에 결합된 적어도 하나의 제1웨이퍼를 포함하는 복합 구조체를 제공하고, 각 웨이퍼는 그 결합면 상에 금속 물질을 포함하고, 상기 제1 및 제2 웨이퍼 사이의 결합 인터페이스는 0.7J/m2과 이하의 결합 에너지를 가지고,
상기 구조는 상기 두 웨이퍼의 결합 이후에 0.07 이상의 스트레스 변수 Ct를 가지고, 상기 스트레스 변수 Ct는 다음 공식을 이용하여 계산된다.
Ct = Rc/Ep
여기에서, Rc 는 상기 두 웨이퍼 어셈블리의 곡률 반경 (km)에 대응하고, Ep는 상기 두 웨이퍼 어셈블리의 두께 (㎛)에 대응한다.
본 발명의 구조의 제1측면에 따라, 각 웨이퍼는 텅스텐, 알루미늄, 탄탈럼, 철, 몰리브덴, 크로뮴, 루테늄, 니켈, 백금, 실리콘 질화물 및 실리콘 중 적어도 하나의 선택되는 금속 물질을 그 결합면 상에 포함한다. 상기 웨이퍼는 이들 물질들 중 어느 하나로 제조되거나 그 결합면 상에 이들 물질들 중 어느 하나로 커버된다.
본 발명의 구조의 제2측면에 따라, 상기 두 웨이퍼 중 적어도 어느 하나는 텅스텐, 알루미늄, 탄탈럼, 철, 몰리브덴, 크로뮴, 루테늄, 니켈, 백금, 실리콘 질화물 및 실리콘 중 적어도 하나의 선택된 물질층으로 커버된 실리콘 기질로 구성되어 상기 웨이퍼의 결합면을 형성한다.
본 발명의 다른 특징 및 효과는 본 발명의 특정 실시예의 다음 설명으로부터 드러날 것이고, 이는 첨부된 도면을 참조하여 비-제한적 실시예로 주어진다.
도 1A 및 1B는 본 발명의 일 실시예에 따라 직결합 방법의 개략도,
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따라 직결합의 방법의 개략도, 그리고,
도 3은 본 발명에 따라, 상기 결합 인터페이스에서 스트레스 수준을 계산하기 위한 변수의 측정을 도시한 도면이다.
일반적으로, 본 발명은 제1 기질 또는 웨이퍼의 제2 기질 또는 웨이퍼의 적어도 직결합을 포함하는 복합 구조체의 생산에 적용되는 것으로서, 상기 도출된 결합 인터페이스는 500℃에서 결합 강화 베이크(bonding reinforcement bake) 후에도, 0.7 J/m2 이하의 결합 에너지인 제한된 결합 에너지를 가진다. 직결합의 결합 에너지 생산의 그러한 제한은 특히 다음 경우에 나타난다:
- 상기 결합면이 낮은 자기 확산 계수(self-diffusion coefficient) D, 즉 D<10-50m2/S를 가지는 금속 물질, 예를들어 텅스텐(tungsten), 알루미늄(aluminium), 탄탈럼(tantalum), 철(iron), 몰리브덴(molybdenum), 크로뮴(chromium), 루테늄(ruthenium), 니켈(nickel), 백금(platinum) 등과 같은 금속물질로 제조되거나 커버되는 경우;
- 상기 결합면이 실리콘으로 제조되거나 실리콘으로 커버되고 소수성 결합이 수행되는 경우, 즉 산화물-타입 결합층의 이용이 없는 경우;
- 상기 결합면이 실리콘 질화물로 제조되거나 실리콘 질화물로 커버되는 경우. 상기 어셈블리용 웨이퍼는 특히 100 mm, 150 mm, 200 mm 또는 300 mm의 직경을 가진다.
직접, 또는 분자 접착, 결합은 그 자체로 잘 알려진 기술이다. 다시 보면, 직결합의 원리는 두개의 표면을 직접적으로 접촉시키는 것에 기초하고, 다시 말해 특정 물질(접착제, 왁스, 납땜(braze) 등)의 이용을 하지 않는다. 그러한 공정은 함게 결합되는 표면들이 충분히 매끈하고(smooth), 어떤 입자도 오염도 없고, 접촉을 개시하기 위하여 함께 충분히 근접되는데 전형적으로 수 나노미터 미만의 거리에서 근접된다. 이 경우, 상기 두 표면 사이의 인력(attractive forces)이 상당히 커서, 분자 접착(결합되는 두 표면의 원자 또는 분자 사이의 전자 상호 작용의 인력(반데르발스의 힘)의 조합에 의하여 유도되는 결합)을 촉발시킨다.
상기 분자 접착은 다른 웨이퍼와의 초기 접촉에서 웨이퍼 상의 적어도 하나의 접점(contact point)의 개시에 의하여 발생되어 상기 접점으로부터 결합 웨이브의 전파가 촉발된다. 상기 용어 "결합 웨이브"는 여기에서 개시점으로부터 전파되고 상기 두 웨이퍼(결합 인터페이스) 사이의 개시 접촉의 전체 표면에 대하여 접점으로부터 상기 인력(반데르발스의 힘)의 환산에 대응하는 결합 또는 분자 접착 프론트(molecular adhesion front)를 의미한다. 상기 접점은 전형적으로 상기 두 웨이퍼의 어느 하나의 노출 포면에 기계적 압력을 적용함으로써 개시된다.
본 발명에 따라, 결합 시점에서 축적된 스트레스를 감소하기 위하여, 상기 기재된 것 처럼, 0.7 J/m2보다 더 큰 결합 에너지를 초래하지 않는 물질로 제조된 결합면을 갖는, 어셈블리되는 두 웨이퍼 사이의 결합 웨이브의 전파 개시는, 20 mbar 미만의 압력의 환경에 상기 웨이퍼들을 위치시킴으로써, 그리고/또는 0.1 MPa 내지 33.3 MPa의 기계적 압력을 상기 두 웨이퍼 중 어느 하나로 적용함으로써 성취된다.
결합 웨이브의 전파가 낮은 압력 환경에서 상기 웨이퍼를 위치시킴으로써 개시되는 경우, 도 1A에서 도시되는 바와 같이, 제1 웨이퍼 또는 기질 20이 결합 기계 100의 챔버 110 내에 위치시키고, 상기 챔버는 기질 캐리어 장치 40를 포함한다. 여기 기재된 실시예에서, 제1 웨이퍼 20는 낮은 자기 확산 계수(self-diffusion coefficient)를 가지는 금속 물질의 층 22을 포함하고 상기 웨이퍼 20의 결합면 20a를 형성하는 실리콘 기질 21로 구성된다. 상기 층 22은 여기에서 텅스텐으로 구성된다. 상기 기질 캐리어 장치 40은 바람직하게 2 마이크론(microns)과 동등 또는 그 미만의 평탄도로부터 편차를 나타내는 지지 플레이트 40a를 포함한다. 상기 지지 플레이트 40a는, 텅스텐 층 32을 포함하고 상기 웨이퍼 30의 결합면 30a을 형성하는 실리콘 기질 31로 구성되는 제2 웨이퍼 또는 기질 30에 분자 접착에 의하여 그 어셈블리 형성의 목적을 위하여, 제1 웨이퍼 20를 예를 들어 정전기(electrostatic) 또는 흡입(suction) 시스템의 수단에 의하여, 상기 지지 플레이트 40a과 관련하여 또는 단순한 중력에 의하여 홀딩한다. 상기 웨이더의 홀딩을 위한 관련 시스템(정전기 또는 흡입에 의한)은 상기 웨이퍼를 변형시키지 않는 것으로 확인되는 정도를 위하여 사용되어, 상기 결합 인터페이스에서 스트레스 축적의 문제에서 어떠한 증가가 일어나지 않도록 한다.
도 1B에서 도시된 바와 같이, 상기 웨이퍼 30은 상기 웨이퍼 20 상에 세팅하여 상기 웨이퍼들 20 및 30의 각각의 결합면들 20a 및 30a를 서로 마주보도록 한다. 게다가 상기 웨이퍼 20 상에 상기 웨이퍼 30의 세팅-다운 동안, 정렬 동작이 수행될 수 있다.
상기 웨이퍼 20 및 30은 진공 펌프 또는 그 유사한 것과 같은 부분적 진공 수단이 장착된, 밀폐 챔버(hermetic chamber) 110 (도 1B에서 미도시) 내로 위치된다.
웨이퍼 20 및 30이 결합 준비 될 때, 상기 챔버 110 내의 압력은 20 mbar 이하, 바람직하게 5 mbar 미만의 압력 PI으로 낮춰져서 상기 두 웨이퍼 사이의 결합 웨이브의 전파가 개시되도록 한다. 상기 웨이퍼가 결합 웨이브의 전파 개시 동안 위치되는 환경의 압력은 일정하거나 그렇지 않다(즉, 상기 개시 단계 동안 잠재적으로 변경가능하다). 결합 웨이브의 전파는 여기에서 자발적으로 개시되고, 다시 말해 상기 웨이퍼 상에 기계적 압력의 적용이 없으며, 그에 의하여 결합 동안 스트레스가 최소화되고 상기 결합 인터페이스에서 저장된 스트레스의 수준이 감소된다.
결합 웨이브의 전파가 기계적 압력의 적용에 의하여 개시되는 경우, 상기 두 웨이퍼 사이의 결합 웨이브의 개시 및 전파가 접촉에서 이루어지는 동안 본 발명은 상기 접점에서 적용되는 기계적 압력의 제어를 제안하여 이 존에서 상기 스트레스를 제한하도록 한다. 본 발명에 따라, 상기 접점에 적용된 압력은 0.1 메가파스칼(MPa) 내지 33.3 MPa 사이이다. 개시점은 상기 웨이퍼 상의 어디에도 위치될 수 있다. 바람직하게는 상기 웨이퍼의 중앙에 밀접한 곳에서 일어난다. 이 압력의 적용 존의 표면 영역은 전형적으로 수 mm2, 예를 들어 1 mm2 미만이다. 더 큰 적용 표면 영역이 가능하나, 두개의 큰 접촉 표면 영역(예를 들어, 5mm2보다 더 큰 경우) 변형 및 결합 인터페이스의 저장 스트레스의 수준에서의 증가를 유도하는 위험이 존재한다. 이런 종류의 기계적 압력의 적용은 두 웨이퍼들 사이에서 접점을 개시하기에 충분하고, 결과적으로 초과 스트레스의 발생 없이 두 웨이퍼들 사이에서 접촉의 전체 표면에 대하여 결합 웨이브의 전파가 이루어지게 된다. 따라서, 접점을 개시하기 위하여 적용된 상기 기계적 압력을 제어함으로써, 상기 웨이퍼에서 야기된 변형이 감소된다. 상기 접점에 적용된 압력은 바람직하게 10MPa 미만이고, 더욱 바람직하게 상기 압력은 0.1 내지 5 MPa 사이이다.
상기 기계적 압력이 적용되는 기간은 상기 결합 웨이브 전파 현상이 성취되도록 하는 최소 기간에 적어도 대응한다. 상기 최소 기간은 실질적으로 상기 두 웨이퍼 사이에서 접촉 표면에 대하여 전파되는 상기 결합 웨이브에 의하여 요구되는 기간에 대응한다. 상기 기계적 압력의 적용 기간은 일반적으로 1 내지 10초사이에서 다양하고, 통상적으로 200mm 직경을 갖는 웨이퍼의 어셈블리의 경우 5초이다.
상기 기계적 압력의 제어 적용은 툴(tool) 수단에 의하여 수행될 수 있다. 도 2에서, 제1 웨이퍼 또는 기질 120은 바람직하게 2 마이크론과 동등 또는 미만의 평탄도로부터 편차를 가지는 지지 플레이트 140를 포함하는 결합 기계 내에 위치된다. 상기 지지 플레이트 140는, 제2 웨이퍼 또는 기질 130과 분자 접착에 의하여 그 어셈블리를 이룰 목적으로, 예를 들어 상기 지지 플레이트 140a와 결합된 정전기 또는 흡입 시스템의 수단에 의하여 또는 단순한 중력에 의하여, 제1 웨이퍼 120를 홀딩한다. 상기 기재된 예시에서와 같이, 상기 웨이퍼 120 또는 130 각각은 각각 텅스텐 층 122 또는 132로 커버되어 상기 웨이퍼 120의 결합면 120a 또는 상기 웨이퍼 130의 결합면 130a을 각각 형성하는, 실리콘 기질 121 또는 131로 각각 구성된다.
상기 웨이퍼 120 및 130의 결합면 121a 및 131adms 서로 접촉이 개시되도록 한다. 분자 접착의 접점의 개시는 툴 50의 수단에 의하여 수행된다. 도 2에서 개략적으로 도시된 바와 같이, 상기 툴 50은 스타일러스(stylus)와 같은 지지 요소 51와 스프링 게이지(spring gauge) 53를 포함한다. 상기 지지 요소 51은 상기 스프링 게이지 53에 연결되고 자유 말단(free end) 52을 포함하여 기계적 압력이 상기 웨이퍼 130 상에 가하여 상기 두 웨이퍼 120 및 130 사이에서 접점을 개시하도록 한다. 상기 말단 52은 0.3 mm2 내지 1 mm2 사이의 접촉 표면 영역 52a을 가진다. 상기 웨이퍼 130와 상기 툴 50의 접촉 표면 영역 52a의 수치가 알려질 때, 상기 웨이퍼 상에서 상기 툴에 의하여 가하여지는 지지력(supporting force) F를 제어함으로써 0.1 MPa 내지 33.3 MPa 사이의 기계적 압력을 적용하는 것이 가능하다 (지지력 = 기계적 압력 x 지지 표면 영역). 상기 웨이퍼 130 상에 상기 말단 52에 의하여 가하여 지는 지지력은 상기 스프링 게이지 53의 수단에 의하여 제어된다. 상기 힘은 0.1뉴튼(N)과 10N 사이이다.
예를 들어, 3.5 MPa의 기계적 압력(접점 개시, 결과적으로 상기 두 웨이퍼 사이의 결합 웨이브를 개시하기에 충분한 압력)을 적용하기 위하여 그 말단이 1 mm2의 접촉 표면 영역을 가지는 툴을 이용하는 것이 바람직할 때, 지지력은 3.5N이 가하여 진다.
상기 지지 요소 및 더욱 특이하게 상기 웨이퍼와 접촉을 위한 그 말단은 테플론®, 실리콘 또는 폴리머와 같은 물질로 제조되거나 커버된다. 일반적으로 말해서, 상기 지지요소의 말단은 제어 방식으로 상기 압력을 적용하는데 충분히 견고한 물질로 제조되거나 커버된다. 그 이유는 너무 유연한 물질은 변형될 수 있고 부정확한 접촉 표면 영역을 유도할 수 있고, 결과적으로 적용된 압력의 정확성이 떨어질 수 있기 때문이다. 게다가 너무 딱딱한(stiff) 물질은 상기 웨이퍼의 표면에서 결함(자국)의 형성을 유도할 수 있다.
본 발명의 분자 접착의 개시를 위한 방법은 결합 기계에서 자동적으로 사용될 수 있다. 이 경우, 상기 기계는 액츄에이터 (예를 들어 실린더 또는 기계적 암)에 연결된 지지 요소를 포함한다. 상기 기계는 힘 센서(스프링 게이지, 스트레인 게이지(strain gauge), 등)과 상기 액츄에이터를 조정하기 위한 서보 제어(servo control)를 더 포함한다. 상기 서보 제어는 상기 지지 요소에 의하여 적용되는 기계적 압력을 제어하는 방식으로 상기 액츄에이터를 조정한다. 더욱 특이하게, 상기 서보 제어는 상기 힘 센서로부터 데이터를 수신하고 그것을 적용되어지는 것이 바람직한 상기 기계적 압력의 기능 및 상기 지지요소 말단의 표면 영역의 기능으로서 기설정된 지지력 수치와 비교한다.
상기 기재된 바와 같이 결합 웨이브의 전파 개시 수단이 결합될 수 있으며, 이는 동시에 상기 두 웨이퍼가 20 mbar 미만의 압력에서 유지되는 환경으로 위치되는 동안, 기계적 압력 포인트가 0.1 MPa 내지 33.3 MPa 사이의 지지 압력에서 두 웨이퍼 사이에 적용될 수 있음을 의미한다.
결합이 수행되기 전에, 상기 웨이퍼의 결합력이 준비될 수 있으며, 특히 화학-기계적 폴리싱의 수단에 의하여 준비될 수 있다.
상기 직결합이 한번 수행되면, 본 발명의 방법은 상기 두 웨이퍼 사이의 결합 인터페이스에서의 스트레스 수준의 측정 단계와, 상기 스트레스 수준이 분리의 위험 없이 두-웨이퍼 어셈블리에 적용되는 연속 처리가 허용가능한지 여부를 결정하는 제어 단계를 더 포함한다.
이 목적을 위하여, 본 발명은 다음 공식을 이용하여 계산된 스트레스 변수 Ct에 기초하여 상기 두 웨이퍼 사이의 결합 동안 유도되는 스트레스 수준의 평가를 제안한다:
Ct = Rc/Ep (1)
여기에서:
Rc 는 상기 두 웨이퍼 어셈블리의 곡률 반경 (km)에 대응하고,
Ep는 상기 두 웨이퍼 어셈블리의 두께 (㎛)에 대응한다.
도 3은 그 결합면 상에 텅스텐 층 222으로 커버된 실리콘 기질 221로 구성된 제1 웨이퍼 220와, 텅스텐으로 제조된 제2 웨이퍼 230의 직접 결합에 의하여 생산된 어셈블리 200을 도시한다. 상기 웨이퍼 220 및 230 사이의 결합 인터페이스에서 스트레스 수준의 측정을 위하여, 상기 측정은 상기 어셈블리 200에 의하여 존재하는 곡률 반경 Rc로 이루어지고, 다음의 근사식(approximation formula)의 수단에 의하여 이루어진다:
Rc = D2/8B
여기에서, B는 상기 어셈블리의 ㎛에서, 곡률(curvature) 또는 "바우(bow)"에 대응하고, D는 mm로 상기 어셈블리에서 상기 웨이퍼의 직경이다. 게다가, 측정은, 결합된 웨이퍼 220 및 230의 누적 두께에 대응하는, 상기 어셈블리의 두께 Ep로 이루어진다. 곡률 반경 Rc는 km로 측정되고, 반면에 상기 어셈블리의 두께는 ㎛로 측정된다. 상기 스트레스 변수 Ct는 상기 주어진 공식 (1)을 이용하여 계산된다.
상기 스트레스 변수가 계산될 때, 이는 0.07인 참조 수치 Cref와 비교된다. 만약 상기 계산된 스트레스 수준 Ct가 0.07보다 더 크면, 바람직하게 0.15보다 더 크면, 결합은 상기 어셈블리 내에 존재하는 스트레스 수준이 연이은 처리 과정, 더욱 특별하게 열적, 화학적, 또는 화학-기계적 처리과정에서 상기 웨이퍼의 분리를 예방할 정도로 충분히 낮은 의미에서 유효하다.
만약 상기 계산된 스트레스 변수 Ct가 상기 참조 수준보다 더 낮으면, 상기 결합이 유효하지 않아서 결합 이후 수행되는 처리 동안 상기 웨이퍼의 분리 이전의 제조 공정으로부터 상기 결함 배치(defective batch)가 제거되어야 한다. 상기 거절된 어셈블리의 웨이퍼는 분리되고 새로이 재결합되어 스트레스 만족 수준이 되도록 할 수 있다.
결합이 본 발명에 따라 유효할 때, 상기 복합 구조체의 생산은 상기 어셈블리 상에 다음 처리 중 어느 하나 이상의 수행에 의하여 계속될 수 있다:
- 500℃와 동등 또는 그 미만의 온도에서 수행되는 열처리,
- 두 웨이퍼 중 어느 하나의 화학적 에칭에 의한 씨닝(thinning) 또는 두 웨이퍼 중 어느 하나의 화학적-기계적 폴리싱(polishing),
- 상기 어셈블리 상에 추가 층의 증착 또는 성장.
하기 표는 분자 접착에 의하여 두 웨이퍼의 어셈블리에 대응하는 복수의 배치(batch) 각각에 대한 스트레스 수준에서 획득된 자극 결과를 보여준다.
Figure pct00001

배치 3, 4, 5, 9, 10 및 15의 경우, 상기 계산된 스트레스 변수가 참조 수치 0.07보다 더 적고, 반면 다른 배치들은 상기 참조 수치보다 더 큰 스트레스 변수를 가지는 것을 확인할 수 있다.

Claims (8)

  1. 적어도 하나의 제1 웨이퍼와 제2 웨이퍼의 직결합 단계를 포함하는 복합 구조체의 제조방법에 있어서,
    상기 제1 웨이퍼 및 상기 제2 웨이퍼 사이의 결합 인터페이스가 결합 웨이브의 전파 이후에 0.7J/m2 이하의 결합 에너지를 가지는 결합 웨이브의 전파 개시 단계; 및
    상기 제1 웨이퍼 및 상기 제2 웨이퍼의 결합 동안 유도된 스트레스 수준의 측정 단계로서, 상기 스트레스 수준은 Ct = Rc/Ep 공식을 이용하여 계산되는 스트레스 변수 Ct에 기초하여 결정되고, 여기에서, Rc는 상기 제1 웨이퍼 및 상기 제2 웨이퍼 어셈블리의 곡률 반경(km)에 대응하고, Ep는 상기 제1 웨이퍼 및 상기 제2 웨이퍼 어셈블리의 두께(㎛)에 대응하고, 상기 결정된 스트레스 수준 Ct가 0.07 이상일 때 상기 결합을 유효화하는 단계;를 포함하고,
    상기 결합 웨이브의 전파 개시 단계는, 20 mbar 미만의 압력의 환경 및 0.1 MPa 내지 33.3 MPa 사이의 기계적 압력을 상기 두 웨이퍼 중 어느 하나에 적용하는 조건 중 적어도 하나의 조건 하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 결합 웨이브의 전파 개시 단계 동안, 상기 두 웨이퍼 중 적어도 어느 하나는 2㎛ 이하의 평탄도 편차를 가지는 지지 상에 평탄화되어 홀딩되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    각 웨이퍼는 텅스텐(tungsten), 알루미늄(aluminium), 탄탈럼(tantalum), 철(iron), 몰리브덴(molybdenum), 크로뮴(chromium), 루테늄(ruthenium), 니켈(nickel), 백금(platinum), 실리콘 질화물(silicon nitride) 및 실리콘(silicon) 중 적어도 하나의 선택된 물질을 그 결합면에 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 두 웨이퍼의 적어도 어느 하나는 텅스텐, 알루미늄, 탄탈럼, 철, 몰리브덴, 크로뮴, 루테늄, 니켈, 백금, 실리콘 질화물 및 실리콘 중 적어도 하나의 선택된 물질 층으로 커버된 실리콘 기질로 구성되어 상기 웨이퍼의 결합면을 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    스트레스 수준이 유효한 경우에 있어서, 500℃ 이하의 온도에서 수행되는 어셈블리의 열 처리 단계 및 상기 두 웨이퍼 중 어느 하나의 화학적 또는 화학적-기계적 시닝(thinning) 단계 중 적어도 하나의 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제2 웨이퍼에 결합된 적어도 하나의 제1웨이퍼를 포함하고, 각 웨이퍼는 그 결합면 상에 금속 물질을 포함하고, 상기 제1 웨이퍼 및 상기 제2 웨이퍼 사이의 결합 인터페이스는 0.7 J/m2 이하의 결합 에너지를 가지는 복합 구조체로서,
    상기 구조체는 상기 제1 웨이퍼 및 상기 제2 웨이퍼의 결합 이후에 0.07 이상의 스트레스 변수 Ct를 가지고, 상기 스트레스 변수 Ct는 Ct = Rc/Ep 공식을 이용하여 계산되는 것을 특징으로 하고, 여기에서, Rc는 상기 상기 제1 웨이퍼 및 상기 제2 웨이퍼 어셈블리의 곡률 반경(km)에 대응하고, Ep는 상기 제1 웨이퍼 및 상기 제2 웨이퍼 어셈블리의 두께(㎛)에 대응하는 복합 구조체.
  7. 제6항에 있어서,
    각 웨이퍼는 텅스텐, 알루미늄, 탄탈럼, 철, 몰리브덴, 크로뮴, 루테늄, 니켈, 백금, 실리콘 질화물 및 실리콘 중 적어도 하나의 선택된 금속 물질을 그 결합면 상에 포함하는 것을 특징으로 하는 복합 구조체.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 두 웨이퍼 중 적어도 어느 하나는 텅스텐, 알루미늄, 탄탈럼, 철, 몰리브덴, 크로뮴, 루테늄, 니켈, 백금, 실리콘 질화물 및 실리콘 중 적어도 하나의 선택된 물질층으로 커버된 실리콘 기질로 구성되어 상기 웨이퍼의 결합면을 형성하는 것을 특징으로 하는 복합 구조체.
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