WO2025026563A1 - Method for bonding a first substrate to a second substrate, device for bonding, substrate holder for such a device, and sensor element - Google Patents
Method for bonding a first substrate to a second substrate, device for bonding, substrate holder for such a device, and sensor element Download PDFInfo
- Publication number
- WO2025026563A1 WO2025026563A1 PCT/EP2023/071550 EP2023071550W WO2025026563A1 WO 2025026563 A1 WO2025026563 A1 WO 2025026563A1 EP 2023071550 W EP2023071550 W EP 2023071550W WO 2025026563 A1 WO2025026563 A1 WO 2025026563A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- substrate
- bonding
- sensor element
- distance
- sensor
- Prior art date
Links
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/67—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere
- H01L21/67005—Apparatus not specifically provided for elsewhere
- H01L21/67011—Apparatus for manufacture or treatment
- H01L21/67092—Apparatus for mechanical treatment
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/67—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere
- H01L21/67005—Apparatus not specifically provided for elsewhere
- H01L21/67242—Apparatus for monitoring, sorting or marking
- H01L21/67259—Position monitoring, e.g. misposition detection or presence detection
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/67—Apparatus specially adapted for handling semiconductor or electric solid state devices during manufacture or treatment thereof; Apparatus specially adapted for handling wafers during manufacture or treatment of semiconductor or electric solid state devices or components ; Apparatus not specifically provided for elsewhere
- H01L21/67005—Apparatus not specifically provided for elsewhere
- H01L21/67242—Apparatus for monitoring, sorting or marking
- H01L21/67288—Monitoring of warpage, curvature, damage, defects or the like
Definitions
- the present invention relates to a method for bonding a first substrate to a second substrate, a device for bonding, a substrate holder for such a device and a sensor element.
- bonding In the semiconductor industry, substrates of different sizes, shapes and materials are regularly connected to one another. The connection process is called bonding. Bonding is roughly divided into permanent and temporary bonding. With permanent bonding, a connection is created between the two substrates that cannot be separated. This permanent connection is made by interdiffusion of metals, by cation-anion transport in anodic bonding or by the formation of covalent bonds between oxides and/or semiconductor materials in fusion bonding. In temporary bonding, so-called bonding adhesives are mainly used. These are adhesives that are applied to the surface of one or both substrates using a coating process in order to act as an adhesion promoter between the substrates.
- Hybrid bonding In fusion bonding, two substrates are joined together in a connection that can initially be separated, a prebond. This prebond is mainly created due to van der Waals bridge bonds between the two highly pure, flat, defect- and particle-free substrate surfaces, which are brought into close contact with each other.
- Hybrid bonding is a subtype of fusion bonding. Hybrid bonding represents the connection of two substrate surfaces, each of which consists of an electrical and a dielectric substrate region. The corresponding correlating (dielectric) substrate regions are connected to each other using a fusion bond (prebond). When the prebond is converted into a permanent bond, permanent electrical contact is created between the electrical substrate regions of the substrates. All bonding methods use bonders to join the substrates to be bonded together. The two substrates to be joined can be subjected to pre-treatments such as surface activation, a cleaning step, an alignment step, until the actual pre-bonding step takes place.
- the substrate surfaces are brought into contact with each other over a very small area.
- the joining reaction is initiated, after which the joining reaction, i.e. the formation of the bridge bonds, can take place without external energy supply.
- the joining process takes place continuously through the propagation of a bonding wave.
- the bond wave was initiated centrally on two identical, non-structured substrates, it ideally runs as a concentrically growing circular front along the substrate radius. Structured substrates, defects, etc. change the path of the bond wave. Under non-optimal conditions, non-bonded areas (voids) can arise between the two substrates, e.g. due to gas inclusions, particle inclusions, etc.
- structures on the substrates or the anisotropy of the substrate material can change the course of the bonding wave. Any change in the course of the bonding wave can be measured by a specialist as an alignment error on the joined substrate stack.
- joining errors can arise as a result of alignment errors (in particular from the following error components: scaling errors, run-out errors), rotation errors, translation errors, residual errors, temperature compensation errors.
- Undetected or non-critical errors in the individual substrates or in particular in functional units manufactured using thin-film technology can add up in an error propagation and can only be detected and quantified after the pre-bonding process.
- the substrates can be aligned very precisely with each other using alignment equipment, distortions of the substrates can occur during the bonding process itself. Due to the resulting distortions, the functional units will not necessarily be correctly aligned with each other at all positions.
- the alignment inaccuracy at a certain point on the substrate can be a result of distortion, a scaling error, a lens error (magnification or reduction error), etc.
- all topics that deal with such problems are subsumed under the term "overlay”. An introduction to this topic can be found, for example, in: Mack, Chris. Fundamental Principles of Optical Lithography - The Science of Microfabrication. WILEY, 2007, Reprint 2012.
- Every functional unit is designed on the computer before the actual manufacturing process. For example, circuit paths, microchips, MEMS, or any other structure that can be manufactured using microsystem technology are designed in a CAD (computer-aided design) program.
- CAD computer-aided design
- the resolution accuracy of a structure produced by a photolithographic process is limited by the size of the apertures of the photomask and the wavelength of the light used (electromagnetic radiation). Mask distortions are transferred directly into the photoresist and thus into the structures produced. Movement devices such as guides with the drive systems coupled to them can move to reproducible positions within a specified tolerance, etc. It is therefore not surprising that the functional units of a substrate cannot exactly match the structures designed on the computer.
- a global overlay error is homogeneous, therefore regardless of location. It produces the same deviation between two opposing functional units regardless of position.
- the classic global overlay errors are errors I and II, which arise from a translation or rotation of the two substrates relative to each other. The translation or rotation of the two substrates produces a corresponding translational or rotational error for all opposing functional units on the substrates.
- a local overlay error arises depending on location, predominantly due to elasticity and/or plasticity problems, in this case mainly caused by the continuously propagating bond wave. Of the overlay errors shown, errors III are particularly common. and IV. are referred to as "run-out" errors.
- This error is primarily caused by a distortion of at least one substrate during a bonding process.
- the distortion of at least one substrate also distorts the functional units of the first substrate in relation to the functional units of the second substrate.
- Errors I. and II. can also be caused by a bonding process, but are usually so heavily overlaid by errors III and IV. that they are difficult to detect or measure.
- the most commonly used method for monitoring the bonding process is to observe the path of the bonding wave using optical means, particularly camera systems, especially using a transmitted light method, particularly in the infrared spectrum, whereby the substrates must have sufficient transparency to observe the bonding wave.
- optical means particularly camera systems
- a transmitted light method particularly in the infrared spectrum
- the substrates must have sufficient transparency to observe the bonding wave.
- this method has disadvantages. Not all substrates are suitable for transmitted light methods; in particular, metallizations prevent the observability of the bonding interface that is created when the two substrate surfaces to be joined are connected. Furthermore, doping in semiconductor substrates can influence the transmittance of electromagnetic radiation. In addition, a transmitted light method places special demands on all substrate holders, as they must also be permeable to the radiation, which can also cause problems with the reproducibility of the results.
- the present invention solves the problem with a method for bonding a first substrate to a second substrate according to claim 1 and with a device for bonding according to claim 11 as well as a substrate holder according to claim 14 and a sensor element according to claim 15.
- Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims.
- the scope of the invention also includes all combinations of at least two features specified in the description, in the claims and/or in the drawings. In the case of specified value ranges, values lying within the stated limits should also be considered as disclosed limit values and can be claimed in any combination.
- a method for bonding a first substrate to a second substrate, wherein the first substrate has a primary section and the second substrate has a secondary section, wherein during bonding of the first substrate to the second substrate a bonding wave advancing along a bonding direction between
- a second subsection is formed in which the first substrate and the second substrate are still to be connected, wherein a subregion of the second substrate in the second subsection is offset in height relative to a subregion of the second substrate in the first subsection in a direction running perpendicular to a main extension plane, wherein before and/or during bonding to determine the state of an object, light is directed onto a surface of the object and reflected and the light reflected from the surface is measured by means of a sensor element to determine the distance between the sensor element and the surface and a distance between the sensor element and the surface is determined.
- reflected light from the surface of an object is used to determine the state of the object, for example the second substrate.
- the method proves to be particularly advantageous because different objects or object types with different optical properties can be measured, especially if they have a certain reflectivity for the light used.
- the method is provided for determining the state of two different objects.
- determining the distance using reflected light has also proven to be particularly advantageous because it makes it possible to determine the distance between the sensor element and the surface as accurately and reliably as possible.
- State determination is understood to mean, in particular, a current position or orientation of at least a partial section of the object, for example the second substrate or a substrate holder of the first or second substrate, before or during bonding, particularly preferably in the area of the bonding wave or in an area adjacent to the bonding wave.
- the procedure of using reflected light to determine the state has proven to be particularly advantageous because this is also possible when the object, for example the second substrate, is not transparent to a wavelength with which the second substrate is examined.
- the method according to the invention therefore proves to be particularly advantageous compared to methods in which, for example, the second substrate is illuminated.
- the state determination also includes, for example, an at least locally detected distance between the primary section of the first substrate and the secondary section of the second substrate. It is also conceivable that the object, for example the second substrate, is modified on its surface in such a way that its reflectivity is increased, in particular in comparison to an unmodified surface. For example, a coating that increases the reflectivity is conceivable.
- At least one optical fiber element is used as a component of the sensor element, and a fiber optic distance sensor is preferably used as the sensor element.
- a fiber element allows the light to be guided to an area that is arranged relatively close to the second substrate or the object, while, for example, a light source that develops heat can be as far away from the second substrate or the object as possible. This advantageously prevents the light source and its heat development from affecting the second substrate or the object to be measured.
- an interferometric sensor system is used to determine the distance, or a system in which the travel times of light pulses are determined by superimposing them and then used to determine the distance. This also makes it possible to register particularly slight shifts or changes in distance.
- the light used is preferably laser light. A preferred wavelength can advantageously be used here, which is advantageous for the maximum possible reflection on the object or several different objects and/or for coupling into the fiber element.
- a particular advantage of fiber optics is that the number of sensor elements per unit area, i.e. the sensor element surface density, can be greatly increased, which enables an extreme increase in resolution accuracy.
- Sensor elements used in the prior art are very large and bulky, as they are usually installed on the substrate holder together with the electronics.
- the fiber elements also comprise signal transmission sections, which are provided for signal guidance, for example.
- the signal transmission sections are preferably provided for light guidance and/or for transmitting electrical signals.
- An evaluation device can be placed at a sufficiently large distance from the fiber end in signal transmission sections. In other words: The placement of signal converters or evaluation devices on the substrate holder can advantageously be avoided.
- the preferred sensor element is a fiber optic distance sensor.
- the fiber optic distance sensor contains at least one radiation source, an optical fiber and an evaluation unit.
- the optical fiber contains at least two fibers or two fiber bundles. One fiber is used as a line for coupling the radiation from the radiation source onto the substrate and one fiber is used to decouple the changed measurement signal and feed the signal into the evaluation unit.
- the evaluation unit calculates the course of the bond wave in particular from the change in the measured value of the particularly calibrated fiber optic distance sensor.
- the measured signal of the fiber optic distance sensor is preferably an intensity change that is correlated with a distance or distance change.
- the distance between the fiber and the reflective surface is measured using the characteristic function of the reflected intensity.
- the fiber optic distance sensor is used for the contactless measurement of a distance or a fine displacement between the sensor and a surface to be probed, in particular the back of a substrate or the surface of the substrate holder. Distance differences or distances of less than 5 nanometers and/or frequencies of over 100 MHz can be detected contactlessly using fiber optic distance sensors.
- the fiber optic measuring system allows working distances in the micrometer to centimeter range with high distance and temporal resolution.
- the radiation beam emitted from an optical fiber is picked up by a second optical fiber after reflection on the measurement object, in particular the back of the substrate, and converted into an electrical voltage by optoelectronic converters. Due to the distance-dependent imaging of the radiation beam onto the receiver-side optical fiber, different radiation currents are directed to the receiver, i.e. to the evaluation unit. The course of the voltage-distance characteristic curve is determined by the optical imaging behavior and the photometric distance law. The optical imaging behavior can be approximately described using the mean light beam. This beam emerges in the middle of the transmitting optical fiber, hits the measuring object, in particular the back of the substrate, at a certain angle between the optical fibers and reaches the receiving optical fiber at the same angle through reflection.
- the intensity course can be described in Depending on the angle of incidence, the intensity can be described with a sine function.
- the path length of the light also influences the intensity.
- the intensity I decreases quadratically with the distance a, whereby the distance between the fiber element and the measurement object, in particular the first and/or second substrate, is to be measured. If the model is to be described more precisely, all beam paths must be included integrally in addition to the middle beam.
- the angle a is the angle between the incident or reflected beam and the surface of the measurement object, in particular the back of the substrate.
- the constant K' or K represents a system constant that essentially depends on the properties of the optical fibers and the reflection properties of the measurement object.
- the distance sensor can be operated in two working ranges. In the rising range, the sensor has a higher sensitivity (slope) than in the falling range.
- a disadvantage of fiber optic distance measurement is the need for relatively large measuring areas. The areas can be reduced by making the optical fibers or fiber elements smaller. However, making them smaller would mean a reduction in the luminous flux in the optical fiber. As a result, not enough light energy can be coupled into the receiver to generate a sufficiently high signal. This problem is reduced by using a whole fiber bundle instead of two optical fibers. Half of the optical fibers are used to output the light, while the other half of the bundle is used to couple the radiation to the receiver. The distribution of the individual fibers can be stochastic.
- the wavelength of the light must match the optical fibers, the surfaces to be scanned, especially substrates and/or Substrate holders and the optoelectronic converter, which is used as an evaluation unit.
- the radiation source can preferably be an LED.
- the LED can be operated with direct current.
- radiation feeds with oscillating radiation or light can also be used.
- the radiation constantly changes its intensity. This type of modulation or lock-in has the advantage that the interference and possible sources of error from temperature drift and/or ambient brightness are eliminated.
- the radiation source is coupled into the optical fibers in a suitable form. Integrated arrangements (LED - optical fiber) are common.
- the radiation can be transmitted over greater distances to the surface to be scanned. This is preferred in the bonding device according to the invention, because it allows the heat sources to be kept away from the substrates to be bonded.
- the receiving optical fiber is arranged directly on the transmitting optical fiber.
- the entry and exit surfaces of the optical fibers are ground flat to prevent direct light transmission across the fiber.
- at least two fiber elements are provided.
- an adjustable, in particular angle-dependent, fastening of a sensor head of the sensor element with the optical fibers in the substrate holder is provided.
- the transmission via the optical fiber, i.e. the fiber element, can also be implemented in the receiver part over greater distances, so that a functionally integrated unit consisting of radiation source and evaluation unit can advantageously be formed.
- the signal path for measuring the bond wave during fusion bonding begins with a radiation source, preferably an LED.
- a radiation source preferably an LED.
- light is referred to in particular as visible light and electromagnetic radiation that is not visible to the human eye is referred to as radiation, but the person skilled in the art understands that light and radiation are largely interchangeable terms in the disclosure.
- LEDs are referred to as a radiation source below, it is clear to the person skilled in the art that other radiation sources can also be involved.
- the light or radiation from the LED is coupled into the fiber bundle, passed on and reaches in particular the surface of the back of the substrate to be measured. From there, the emitted light is reflected in particular on the back of the substrate and coupled into the receiving fiber.
- the optical fibers end at the optoelectronic Evaluation unit and couple the light there.
- the optoelectronic converter can in particular be a phototransistor or a photodiode or a secondary electron multiplexer (SEv), which converts the optical signal into an electronic signal.
- SEv secondary electron multiplexer
- the electrical signal currents or signal voltages generated are preferably then amplified by operational amplifiers.
- the signals obtained in this way, in particular analogue ones, can be connected to a data line after an analogue-digital conversion and can be further processed and/or stored and/or displayed, in particular with computer support.
- a set distance between the sensor element and the surface of the object assumes a value between 10 pm and 1000 pm, preferably between 10 pm and 500 pm and particularly preferably between 10 pm and 200 pm.
- the sensor element can be moved to a (rough) distance that lies in the corresponding value range in order to be able to determine distance values with the highest possible resolution.
- the set distance is understood to be the distance that is assumed when aligning the sensor element with respect to the surface to be measured.
- a target value of the position to be approached, in particular an alignment mark is an ideal value.
- a movement device with which a substrate holder is moved approaches the ideal value. Reaching a defined area around the ideal value can be understood as reaching the target value.
- a positioning device is understood to be a coarse positioning device if the approach and/or repeat accuracy deviates from the target value by more than 0.1%, preferably more than 0.05%, particularly preferably more than 0.01%, based on the entire travel path or rotation range, a full rotation of 360 degrees in the case of rotary drives that can rotate.
- a coarse positioning device with a travel of more than 600 mm results in an approach accuracy of 600 mm * 0.01%, i.e. more than 60 micrometers as residual uncertainty.
- the residual uncertainty of the approach or repeat accuracy is less than 100 micrometers, preferably less than 50 micrometers, particularly preferably less than 10 micrometers.
- the thermal disturbances should also be taken into account.
- a coarse positioning device only fulfils the positioning task with sufficient accuracy if the deviation between the actual position reached and the target value of the position lies within the travel range of an associated fine positioning device.
- An alternative coarse positioning device only fulfils the positioning task with sufficient accuracy if the deviation between the actual position actually reached and the target value of the position is within half the travel range of an associated fine positioning device.
- a positioning device is understood to be a fine positioning device if the residual uncertainty of the approach and/or repeat accuracy of the target value does not exceed less than 500 ppb, preferably less than 100 ppb, ideally 1 ppb based on the entire travel path or rotation range.
- a fine positioning device will have an absolute positioning error of less than 5 micrometers, preferably less than 1 micrometer, particularly preferably less than 100 nm, most preferably less than 10 nm, optimally less than 5 nm, ideally less than 1 nm.
- At least one positioning device with high accuracy and reproducibility is provided.
- a concept of mutual error corrections can be used for the quality of the alignment of the substrate to the other substrate.
- a known offset (twisting and/or shifting) of a substrate and the corresponding positioning device can be increased by adjusting and correcting the position of the other substrate with correction values or correction vectors. It is a question of the size and type of twisting and/or shifting how the control or regulation uses coarse and fine positioning or only coarse or only fine positioning to correct the error.
- the substrates can be deformed and/or tempered using mechanical adjusting elements and/or piezo elements, ie deformation elements, in order to minimize the offset during bonding.
- the targeted change in temperature changes the shape and size of at least one of the substrates.
- the targeted change in the shape of the substrate holder changes the shape of the substrate attached to it.
- positioning devices coarse or fine or composite positioning devices
- alignment means are considered synonyms.
- the alignment of the first substrate to the second substrate can preferably take place in all six degrees of freedom of movement: three translations according to the coordinate directions x, y and z and three rotations around the coordinate directions.
- the movements can be carried out in any direction and orientation.
- Robots for substrate handling and for substrate stack handling are subsumed as movement devices.
- the holding devices can be component-integrated or functionally integrated in the movement devices.
- the device for the ground preferably contains control systems and/or evaluation systems, in particular computers, in order to carry out the described steps, in particular movement sequences, embossing and separation, to carry out corrections, to analyze and store operating states of the device according to the invention.
- an arrangement of a plurality of sensor elements is used for spatial resolution, preferably more than 10 sensor elements, particularly preferably more than 30 sensor elements and particularly preferably more than 50 sensor elements. This makes it possible to determine a corresponding, in particular locally resolved, orientation of at least a partial area of the object or of the entire object based on the distances recorded between the sensor element and the object.
- the sensor elements are preferably distributed in a predetermined pattern, for example a checkerboard pattern or on circular paths.
- the sensor elements are preferably arranged in a two-dimensional arrangement.
- the sensor elements are preferably arranged along imaginary circular paths, in particular when bonding starts from a center of the substrates. It is particularly preferred that a sensor surface element is constant, preferably in the radial direction. This ensures a homogeneous spatial resolution.
- the adjacent sensor elements are arranged equidistant from one another at least along one direction. An average distance between adjacent sensor elements is preferably less than 5 cm, preferably less than 2.5 cm and particularly preferably less than 1.5 cm. In this case, an average is taken over all distances between adjacent sensor elements.
- the sensor element is designed to receive signals.
- fiber optic In the case of a fiber optic, several fiber ends can be arranged next to each other and the fiber elements run individually or in a bundle to a common evaluation device that is spaced from the fiber ends that are aligned for signal recording.
- the object is the first substrate or the second substrate.
- the determination of the state of the second substrate during bonding is particularly advantageous because the measurement allows the progression of the bonding wave and the deformation of the second substrate during bonding to be recorded. This allows, for example, the bonding to be adjusted in real time.
- the first substrate is preferably examined before bonding in order to check its correct alignment before bonding.
- a state change recorded over time in particular to record a bond wave development of the second substrate, during bonding.
- This makes it possible, for example, to record a bond wave, in particular with regard to its temporal development, for example to determine a bond speed.
- a displacement of the rear side of the second substrate during bonding is measured and determined.
- preferably more than ten sensors, particularly preferably more than 30 sensors, very particularly preferably more than 50 sensors are used, which are in particular integrated equidistantly on the substrate holder.
- an arrangement of a plurality of sensor elements is used for spatial resolution, preferably more than 10 sensor elements, particularly preferably more than 30 sensor elements and particularly preferably more than 50 sensor elements.
- This arrangement preferably covers a two-dimensional section.
- at least one fiber optic distance sensor is used for measuring the bond wave, wherein the fiber optic distance sensor is fixed in a statically determined manner and wherein the adjustment of the fiber optic distance sensor takes place without twisting the fiber and/or the fiber optic distance sensor.
- the spatial and local course of a bond wave can be recorded or calculated from a large number of measured values from sensors distributed over the substrate surface. be determined so that the course of the bonding wave can be influenced in a closed-loop control system.
- the recorded position data of the bonding wave as well as the anisotropies and/or anomalies, in particular distortions or deformations are compared in particular with a computer-aided model of the ideal bonding wave course and the observed error during bonding, in particular during fusion bonding, is corrected promptly, in particular in real time, by controlling the individual vacuum zones (time and extent of the pressure change, in particular the release of an individual zone).
- the radiation coupling and evaluation take place outside the substrate holder in a preferably separate evaluation unit.
- the end of the light guide is mounted in the substrate holder, preferably in the upper substrate holder itself, so that the back of the substrate is in the working area of the sensors during the bonding process.
- the temporal and spatial progression of a bonding wave during fusion bonding can be determined.
- the distance between the back of the upper substrate and the upper substrate holder is determined over time, stored, visualized and/or taken into account in the form of correction factors to correct the alignment errors.
- the distances and/or distance changes are measured as a function of time, in particular synchronized with over 50 sensors.
- 52 fiber optic distance sensors can be distributed over the substrate holder to enable close monitoring of the bonding wave.
- an alignment for example a position and/or an orientation, of the second substrate is determined during and/or after insertion into a substrate holder for determining the state.
- the state determination is used to minimize the distance to be set between the first substrate and the second substrate before bonding.
- An exemplary method provides for the measurement of the local deviations and scattering of the vertical distance when aligning a lower substrate and an upper substrate to one another before bonding, in particular fusion bonding.
- the vertical distance during alignment is also referred to as the bond gap and serves to ensure that the substrates can be aligned with one another with as little distance as possible, without touching one another.
- the local variations in the vertical distance can arise due to the manufacturing tolerances of the substrate holder, especially the upper substrate holder. From series of measurements of different substrates on the same substrate holders with the fiber optic distance sensors, conclusions can be drawn about local unevenness and/or shape deviations of the substrate holder, so that a correction of the respective substrate holder is possible.
- the bonding is influenced depending on the state determination, in particular a bond wave speed is controlled or regulated.
- the control or preferably the regulation of the bond wave shape can be made possible.
- the distance measurement values of the fiber optic distance sensors when bonding the upper substrate to the lower substrate are correlated with the control of individually switchable vacuum zones on the upper substrate holder in particular in such a way that the bond wave can pass through in one plane as distortion-free as possible and the substrate-related asymmetries and/or anisotropy can be compensated in order to achieve an optimal bonding result that is as distortion-free as possible.
- the measurement of the bond as an overlay measurement on the finished substrate stack can be taken into account as a further correction in the bonding process.
- fiber optic distance sensors Another advantage of using fiber optic distance sensors is that the precise setting of the working distance with the adjustment according to the invention using fine adjustment elements such as play-free micrometer screws, which can position the optical fiber in particular without constraint, means that sensors with higher accuracy can be used, but with a smaller measuring range. This reduces errors during bonding, because smaller device paths cause smaller errors in alignment.
- the object is a component of a device for carrying out the method, for example a holding element and/or a deformation element of the device and/or a loading pin.
- a position, in particular a parallelism, of the upper substrate holder to the lower substrate holder is determined. It has surprisingly been found that instead of adjusting the flatness based on the measurement results from three dynamic pressure sensors or optical sensors, in particular offset by 120 degrees, worse local distortions can be achieved during bonding than adjusting the parallelism of the entire substrate holder surfaces to one another in an independent optimization process with the aim of using the local distance values to create the most global possible to achieve a uniformly parallel alignment of the upper substrate holder to the lower substrate holder.
- fine adjustment elements such as micrometer screws, in particular fine-thread screws, can locally change the substrate holder surfaces to one another.
- a global optimum of parallelism over the entire surface of the substrate holder is calculated and set using the large number of locally measured distances between the substrate holders.
- the state determination of the second substrate is used to determine a fixing and/or actuating means with which the first substrate and/or the second substrate is held and/or fed to the bonding.
- Another method provides for the setting of the loading pins of the lower substrate holder to be observed or determined.
- the fiber optic distance sensors can be used to measure the parallelism of the loaded lower substrate to the upper substrate holder and adjust it accordingly.
- Another exemplary method provides that the shape of the upper or second substrate is observed or determined during loading of the upper substrate holder. From the shape of the upper substrate during loading, conclusions can be drawn about the bonding behavior, such as an expected deflection or sagging of the upper substrate, and taken into account during bonding, in particular how far a distance must be set for the upper substrate before bonding so that the upper substrate and the lower substrate do not touch each other undesirably during alignment but a small working distance can be achieved.
- Another exemplary method provides that the lower and/or the upper substrate, ie the first and/or the second substrate, is observed and recorded during attachment to the respective substrate holder, in particular such that deformations of the respective substrate can be recorded in a temporally and spatially correlated manner when the vacuum is applied.
- the controls for the vacuum zones can be the circuit sequence as well as the vacuum level used in order to be able to bond the substrates with as little distortion as possible.
- the substrates can be deformed in a targeted manner for bonding before bonding with the attachment to the substrate holder in order to compensate for and/or reduce known distortions of the respective substrate.
- the plane parallelism of the upper substrate to the lower substrate is not necessarily considered to be the best starting point for a successful and optimally aligned fusion bond, but measured and appropriately deformed substrates are bonded to one another using fusion bonding in such a way that the resulting substrate stack has as few alignment errors as possible.
- Another exemplary method provides that adaptive loading of the substrates is enabled by using the measured values of the fiber optic distance sensors in the upper substrate holder to actively control individually switchable, in particular isolated vacuum segments of the upper and/or lower substrate holder, so that the sequence and force of the suction result in substrates that are as distortion-free as possible.
- the substrates can be deformed in a targeted manner. The person skilled in the art can deduce this independently from the application described here. In this way, the natural scattering of the substrate properties is immediately compensated for by measuring the substrate during loading and fastening to the substrate holder.
- a further aspect of the present invention is a device for bonding a first substrate to a second substrate, in particular by means of a method according to one of the preceding claims, wherein the first substrate has a primary section and the second substrate has a secondary section, wherein the device is configured such that when bonding the first substrate to the second substrate, a bonding wave advancing along a bonding direction between
- a second section in which the first substrate and the second substrate are still to be connected is formed, wherein a partial region of the second substrate in the second partial section is offset in height relative to a partial region of the second substrate in the first partial section in a direction running perpendicular to a main extension plane, wherein the device comprises a sensor element, wherein the device comprises a sensor element, wherein the device for determining the state of an object is designed such that before and/or during bonding to determine the state of an object, light is directed onto a surface of the object and reflected, and the light reflected from the surface is measured by means of a sensor element to determine the distance between the sensor element and the surface, and a distance between the sensor element and the surface is determined. All of the advantages and properties described for the method can be transferred analogously to the device.
- the optical fibers of the sensor head are installed.
- the sensor head contains both the optical fiber that guides the radiation from the radiation source to the substrate and the optical fiber for coupling out the measurement signal.
- the optical fibers are installed in the sensor head so that they can be adjusted independently of one another, whereby the optical fibers are not twisted, so that the respective working distance and the measuring range can be set precisely.
- spring-loaded or spring-loaded backlash-free adjustment elements such as pre-tensioned micrometer screws, in particular backlash-free pre-tensioned differential screw gears, can be used for this purpose.
- the measurement uncertainty resulting from the undefined angular position of an optical fiber is at least reduced, preferably eliminated, with the present invention.
- the optical fiber is installed in the sensor head at a specific angular position, at least without twisting it. This means that distances and distance changes can be recorded with less uncertainty, so that the course of the bond wave can be precisely recorded and controlled accordingly.
- the sensors can be integrated in the substrate holder in particular with play-free click or play-free bayonet connections.
- the sensor element has a fiber end and a signal transmission section, wherein the sensor element is designed such that the Fiber end for signal reception and the signal transmission section for signal transmission to a spaced-apart evaluation device.
- the device with the structural separation of the radiation source and the evaluation unit from the sensor head is particularly advantageous for the device with the structural separation of the radiation source and the evaluation unit from the sensor head to be able to accommodate a large number of sensors in the substrate holder.
- the number of sensor heads used in the device can be advantageously increased in order to be able to closely monitor the bond wave both temporally and spatially.
- the radiation sources and evaluation units are preferably placed far away from the substrate holder.
- the adjustment of the fiber optic distance sensors installed in the substrate holder, in particular the upper substrate holder, is carried out using a calibration and adjustment procedure.
- the following steps are carried out for calibration, in particular the following procedure.
- the optical fiber element is aligned for calibration.
- a first process step for example, an upper substrate is loaded and secured on the upper substrate holder.
- the fiber optic distance sensors are adjusted, in particular iteratively, so that the respective sensor has at least a minimal distance to the back of the second substrate.
- the individual sensors are read out and the intensity signals and/or the distances are stored.
- the stored intensity signals are set as a zero distance.
- the upper substrate is released from the upper substrate holder and unloaded from the bonding space of the bonder.
- a lower substrate is loaded and secured on the lower substrate holder.
- a seventh process step the distances from the fiber optic distance sensors in the upper substrate holder - and thus from the upper substrate holder - to the bonding interface of the lower substrate on the lower substrate holder are measured.
- the upper substrate holder and/or the lower substrate holder are moved to a different working distance.
- the change in the distance between the upper substrate holder and the lower substrate holder is recorded, as well as the distance between the upper substrate holder and the lower substrate holder, at the same time as the eighth process step.
- the actual actual distances are compared with the target value of the distance change of the upper and lower substrate holders and the differences are recorded for each sensor in order to record the specific correction values of the fiber optic distance sensors as well as the intensity curves.
- the calibration with exchanged substrates is iteratively recorded as a series of measurements in order to create the correction values of the fiber optic distance sensors as a knowledge store and/or database.
- the curves approximated to the family of points of the intensity values at given distances are called intensity curves.
- the intensity curves can be approximated using empirical mathematical formulas so that the expected intensities can be interpolated for a given distance between the substrate holders in the bonding device. Conversely, the distances are determined for each sensor from the measured intensities.
- Exchanging the substrates for calibration means that a statistically relevant number of measurements are carried out with different substrates:
- the variations in the thickness of the substrates, the variations in the reflectance of a material as well as the variations in the material differences or the variations due to the different positioning on the substrate holders can be recorded and used as correction values for measuring the bond wave and thus for influencing the bond wave. In this way, system- and substrate-specific correction values are determined.
- the bonding process is influenced depending on the state determination, in particular a bonding wave speed is controlled.
- deformation and/or fixing elements are specifically controlled and part of the second substrate is dropped or held.
- the findings of a machine learning algorithm and/or empirical values stored in a database are used.
- the recorded state determinations can be made available together with a result of the bonding process as a test set to a neural network, which uses the test sets to develop new strategies for controlling the bonding process for certain state determinations and preferably applies them in the next bonding process for comparable state determinations. This allows the method to be used to further optimize the bonding process.
- the sensor element has at least one optical fiber element and preferably comprises a fiber optic distance sensor. It is particularly preferably provided that the at least one optical fiber element is integrated into the device in a displaceable, in particular pivotable, manner.
- the device for bonding substrates comprises in particular the following functional components and/or modules:
- Substrate holders are used for the substrate holder.
- at least one substrate holder provided with sensors and actuators is used.
- independent inventions are understood to be an improved device with a substrate holder with at least one, preferably with over 30 sensors and 30 actuators for influencing the bonding wave.
- substrate holders have over 50 sensors and 50 actuators.
- the device for bonding comprises at least one fiber optic distance sensor as sensors, preferably the same number of fiber optic distance sensors as there are vacuum zones that can be switched independently.
- the fiber optic distance sensors can be integrated in the substrate holder, in particular in the upper substrate holder, in an adjustable manner.
- the substrate holders have individually switchable zones that are fluidically isolated from one another, in particular vacuum zones, which are each assigned to a fiber-optic distance sensor.
- the fiber-optic distance sensor is integrated in the respective vacuum zone, so that the measurement of the fastening of a substrate and the vacuum control are connected to one another in the shortest possible control loop, and the measurement of the deformation of the substrate takes place where the effect of the vacuum zone deforms the substrate.
- the substrate holders have fixings. The fixings serve to hold the substrates. The fixings can be
- Vacuum fixation is the preferred type of fixation.
- Vacuum fixation preferably comprises several vacuum tracks that emerge on the surface of the substrate holder.
- the vacuum tracks can preferably be controlled individually.
- some vacuum tracks can be combined to form vacuum track segments that can be controlled individually and can therefore be evacuated or flooded.
- each vacuum segment is independent of the other vacuum segments. This makes it possible to set up individually controllable vacuum segments.
- the vacuum segments are preferably designed in a ring shape. However, any shape can be conceivable as a vacuum zone. This enables a substrate to be fixed and/or released from the substrate holder in a targeted manner.
- the device according to the invention with fiber optic distance sensors can be used, among others, for the following possible applications, which are particularly considered as independent inventions: -Movement and/or alignment means for the substrates with the adjusting elements, actuators for generating force for changing the substrate curvature.
- the movement means for receiving the substrates can reproducibly deform the substrates.
- -Movement and/or alignment means for the substrate such as coarse and/or fine drives,
- -Bond initiation agents for fusion bonding in particular pins, fluidic pressure media, in particular nozzles with gas overpressure, and/or their combination,
- -Movement and/or alignment means are understood in the device according to the invention preferably as movement devices with drive systems, guide systems, holding devices and measuring systems in order to move, position and align the optical systems and/or substrates with each other.
- the motion devices can generate each movement as a result of individual movements, so that the motion devices can preferably contain fast coarse positioning devices that do not meet the accuracy requirements as well as precisely operating fine positioning devices.
- Fiber optic distance sensors offer particular advantages for use as measuring devices in bonding devices: the optical fiber enables a compact design, which means that a high density of measuring devices can be integrated into substrate holders. Retrofitting bonding devices is also possible, since the evaluation and the radiation source do not have to be placed directly on the substrates and/or substrate holders. Another advantage is the high achievable data density compared to conventional measuring methods such as laser or confocal sensors.
- a device can comprise supply and auxiliary and/or supplementary systems (compressed air, vacuum, electrical energy, liquids such as hydraulics, coolants, heating means, means and/or devices for temperature stabilization, electromagnetic shielding, ionizers and/or deionizers, electrostatic dust traps).
- auxiliary and/or supplementary systems compressed air, vacuum, electrical energy, liquids such as hydraulics, coolants, heating means, means and/or devices for temperature stabilization, electromagnetic shielding, ionizers and/or deionizers, electrostatic dust traps.
- a device includes frames, claddings, vibration-suppressing or damping or cancelling active or passive subsystems.
- a frame can be understood as a part, in particular made of natural hard stone or mineral cast or spheroidal graphite cast or hydraulically bound concrete, which is in particular vibration-damped and/or vibration-insulated and/or installed with vibration damping.
- a device comprises at least one measuring system, preferably with measuring units for each axis of movement, which can be designed in particular as path measuring systems and/or as angle measuring systems. Furthermore, the device contains at least one measuring system, preferably with measuring units for radiation intensity, in particular for the radiation for curing the embossing compound.
- the device comprises at least one measuring system for observing and/or checking the adjustment or alignment marks of the first substrate and the second substrate.
- the device comprises at least one measuring and control system for pressure, in particular vacuum and/or overpressure, which measures, detects and controls the pressure on/in the substrate during bonding.
- pressure in particular vacuum and/or overpressure
- a device contains at least one measuring system for observing the alignment of the substrates to one another. These are provided, for example, in addition to determining the distance via reflected light.
- the measuring standard can be a physical object, in particular a scale, or it can be implicit in the measuring method, such as the wavelength of the radiation used.
- At least one measuring system can be selected and used to achieve alignment accuracy before bonding.
- Measuring systems implement measuring methods.
- measuring methods implement measuring methods.
- Intensity measurement techniques such as fiber optic rangefinders can be used.
- measured values can be combined with one another and/or referenced and/or correlated with one another, so that a measurement of one alignment mark can be used to determine the position of the other alignment mark related to it.
- the position of the substrate can be calculated from the position values of the substrate holder and the detected alignment marks and corrected accordingly.
- optical pattern recognition using camera systems can be used to provide a unique reference of the position and height.
- the patterns are recorded in a real-time system, in particular continuously during the alignment of the substrates.
- the measurement methods listed can also be used for position determination.
- movement devices that are not used for fine adjustment are designed in particular as robot systems, preferably with incremental displacement sensors.
- the accuracy of these movement devices for auxiliary movements is decoupled from the accuracy for aligning the substrates, so that the auxiliary movements are carried out with a low repetition accuracy of less than 1 mm, preferably less than 500 micrometers, particularly preferably less than 150 micrometers.
- the accuracy of the movement devices for the alignment is preferably less than 200 nm, preferably less than 100 nm, particularly preferably less than 50 nm, most preferably less than 20 nm, optimally less than 10 nm, ideally less than 1 nm.
- the error of the alignment accuracy of the device is 20% of the permissible maximum alignment error, particularly preferably 10% of the permissible maximum alignment error, in the optimal case 1%.
- Processes are preferably created as recipes and executed in machine-readable form. Recipes are optimized collections of values of parameters that are functionally or procedurally related. The use of recipes makes it possible to ensure the reproducibility of production processes.
- a lower substrate is fusion bonded to an upper substrate, with the following sequence, in particular with the following steps:
- the lower substrate is placed on a lower substrate holder and measured with at least one fiber optic distance sensor, which is installed in the upper substrate holder.
- the lower substrate is fixed to the lower substrate holder, in particular with vacuum zones, and the fixing is measured with at least one fiber optic distance sensor as an additional control, so that the local deformations of the lower substrate are preferably minimized.
- the upper substrate is loaded into the bonding device and measured in free form with the at least one fiber optic distance sensor in order to be able to detect and in particular correct deformations and/or critical distortions of the upper substrate.
- the upper substrate is attached to the upper substrate holder, in particular by means of vacuum zones, and is measured using at least one fiber-optic distance sensor.
- the controlled attachment of the upper substrate allows undesirable distortions and/or deformations of the upper substrate to be minimized, preferably eliminated.
- the substrates are aligned to each other, in particular using alignment markings.
- a fusion bond is initiated by contacting the upper substrate and the upper substrate.
- the fusion bond can be initiated with a bond pin in particular.
- the initiation of the path of the bond wave can be observed with at least one fiber optic distance sensor in order to allow the bond wave to pass through in a controlled manner.
- a seventh method step the course of the bonding wave is observed by means of at least one fiber optic sensor in the upper substrate holder.
- the distance between the back of the upper substrate and the upper substrate holder is recorded as a function of time and/or stored and/or fed to a control of the bonding wave, in particular the vacuum zone control, and/or visualized and/or processed and/or statistically evaluated.
- the course of the bonding wave is influenced, in particular in real time to the seventh process step, by influencing the vacuum of at least one vacuum zone of a substrate holder in order to minimize distortions during bonding.
- a ninth process step the fusion bonding of the substrate stack is completed and the upper substrate holder is separated from the upper substrate.
- This process step can optionally be carried out with the seventh and/or the eighth process step.
- the bonded substrate stack in the prebond is removed from the bonding device and, in particular, subjected to a quality control.
- a further subject of the present invention is a substrate holder for a device according to the invention, wherein the sensor element is integrated into the substrate holder. All advantages and properties described for the device can be transferred analogously to the substrate holder and vice versa.
- Another subject of the present invention is a sensor element for integration into a device according to the invention or a substrate holder according to the invention. All advantages and properties described for the device can be transferred analogously to the substrate holder and the sensor element and vice versa.
- the sensor element can be used to upgrade existing devices.
- the sensor element is dimensioned in such a way that it can be inserted into a recess that was or is originally intended as a vacuum opening or opening for a deformation element. This means that it is only necessary to place the sensor element in the corresponding recess and fix it.
- Fig. 1 is a schematic representation of a fusion bonding device with an integrated fiber optic distance sensor.
- Fig. 2 is a schematic representation of a section of a substrate holder with an integrated fiber optic sensor.
- Fig. 1 shows parts of a device 1 for fusion bonding.
- the bonding device 1 includes a frame 8 on which the optical detection means 3 for the lower substrate 11 can be fastened to a movable frame 2 with the movement device 4.
- the optical detection means 7 for detecting an alignment mark of an upper substrate, which is not shown.
- the movable frame 5 and the movement device 6 enable the optical detection means 7 to be focused on the alignment mark.
- the lower substrate holder 9 can hold the lower substrate 11.
- the vacuum segments and the vacuum channels of the substrate holder 9 are not shown.
- the necessary substrate movements for loading and unloading as well as for adjustment can be carried out by means of the movement device of the lower substrate holder 10.
- the upper substrate holder 12 can hold the upper substrate (not shown).
- the vacuum segments and the vacuum channels of the upper substrate holder 12 are not shown.
- the necessary substrate movements for loading and unloading as well as for adjustment can be carried out using the movement device of the upper substrate holder 13.
- the bond pin 14, which starts the bonding wave of the fusion bond after the substrates have approached, is shown schematically.
- a fiber optic distance sensor 15 is shown with two fictitious, overlapping beams 16, with the aid of which the distance a can be measured, in particular between the upper substrate holder 12 and the substrate 11 or between the upper substrate holder 12 and the lower substrate holder 9 or between the upper substrate holder 12 and the upper substrate.
- the other fiber optic distance sensors as well as the radiation sources and evaluation units are not shown.
- the person skilled in the art understands the sensor element designed as a fiber to be a component whose fiber end is intended for receiving light or signals. These signals are then passed on to a common evaluation device, which is a relatively large component at a distance from the sensor element.
- a common evaluation device which is a relatively large component at a distance from the sensor element.
- the signals from several fibers with fiber ends arranged next to one another preferably converge to be evaluated together in the common evaluation device.
- Fig. 2 shows a section of an upper substrate holder 12' in a top view, in which the functional surface is shown schematically. Two fibers of the fiber optic distance sensor are shown with 15'.
- the vacuum nozzle 17 is in fluidic connection with the vacuum control so that the applied vacuum can be regulated.
- a schematically shown sealing lip 18 delimits the vacuum zone shown. Another similar vacuum zone with the same elements is shown without markings.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Power Engineering (AREA)
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
- Measurement Of Optical Distance (AREA)
- Optical Radar Systems And Details Thereof (AREA)
Abstract
Description
Verfahren zum Bonden eines ersten Substrats mit einem zweiten Substrat, Vorrichtung zum Bonden, Substrathalter für eine solche Vorrichtung und Sensorelement Method for bonding a first substrate to a second substrate, device for bonding, substrate holder for such a device and sensor element
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bonden eines ersten Substrats mit einem zweiten Substrat, eine Vorrichtung zum Bonden, ein Substrathalter für eine solche Vorrichtung und ein Sensorelement. The present invention relates to a method for bonding a first substrate to a second substrate, a device for bonding, a substrate holder for such a device and a sensor element.
In der Halbleiterindustrie werden regelmäßig Substrate unterschiedlicher Größen, Formen und Materialien miteinander verbunden. Den Verbindungsvorgang nennt man Bonden. Das Bonden wird grob in Permanent- und Temporärbonden eingeteilt. Beim Permanentbonden entsteht eine nicht mehr lösbare Verbindung zwischen den beiden Substraten. Diese Permanentverbindung erfolgt durch Interdiffusion von Metallen, durch einen Katio- nen-Anionen - Transport beim anodischen Bonden oder durch die Ausbildung von kovalenten Verbindungen zwischen Oxiden und/oder Halbleitermaterialien beim Fusionsbonden. Beim Temporärbonden werden vorwiegend sogenannte Bondingadhäsive verwendet. Dabei handelt es sich um Klebstoffe, die durch ein Beschichtungsverfahren auf die Oberfläche eines oder beider Substrate aufgebracht werden, um als Haftvermittler zwischen den Substraten zu wirken. In the semiconductor industry, substrates of different sizes, shapes and materials are regularly connected to one another. The connection process is called bonding. Bonding is roughly divided into permanent and temporary bonding. With permanent bonding, a connection is created between the two substrates that cannot be separated. This permanent connection is made by interdiffusion of metals, by cation-anion transport in anodic bonding or by the formation of covalent bonds between oxides and/or semiconductor materials in fusion bonding. In temporary bonding, so-called bonding adhesives are mainly used. These are adhesives that are applied to the surface of one or both substrates using a coating process in order to act as an adhesion promoter between the substrates.
Beim Fusionsbonden werden zwei Substrate miteinander in einer vorerst lösbaren Verbindung, einem Prebond gefügt. Dieser Prebond entsteht hauptsächlich auf Grund von van der Waals-Brückenbindungen zwischen den zwei hochreinen, ebenen, möglichst fehler- und partikelfreien Substratoberflächen, welche miteinander in engen Kontakt gebracht sind. Hybridbonden ist eine Unterart von Fusionsbonden. Das Hybridbonden stellt die Verbindung zweier Substratoberflächen, welche jeweils aus einem elektrischen und aus einer dielektrischen Substratregion bestehen, dar. Die entsprechenden korrelierenden (dielektrischen) Substratregionen werden mittels Fusionsbond (Prebond) miteinander verbunden. Bei der Umwandlung des Prebonds in einen Permanentbond entsteht die permanente elektrische Kontaktierung zwischen den elektrischen Substratregionen der Substrate. Bei allen Bondingmethoden werden Bonder verwendet, um die miteinander zu verbonden- den Substrate zu fügen. Die zwei zu fügenden Substrate können Vorbehandlungen unterzogen werden, wie beispielsweise einer Oberflächenaktivierung, einem Reinigungsschritt, einem Ausrichtungsschritt, bis der eigentliche Prebond-Schritt stattfindet. In fusion bonding, two substrates are joined together in a connection that can initially be separated, a prebond. This prebond is mainly created due to van der Waals bridge bonds between the two highly pure, flat, defect- and particle-free substrate surfaces, which are brought into close contact with each other. Hybrid bonding is a subtype of fusion bonding. Hybrid bonding represents the connection of two substrate surfaces, each of which consists of an electrical and a dielectric substrate region. The corresponding correlating (dielectric) substrate regions are connected to each other using a fusion bond (prebond). When the prebond is converted into a permanent bond, permanent electrical contact is created between the electrical substrate regions of the substrates. All bonding methods use bonders to join the substrates to be bonded together. The two substrates to be joined can be subjected to pre-treatments such as surface activation, a cleaning step, an alignment step, until the actual pre-bonding step takes place.
Beim Prebond-Schritt werden die Substratoberflächen zueinander an einer sehr kleinen Fläche miteinander in Kontakt gebracht. Mit anderen Worten wird die Fügereaktion initiiert, danach kann die Fügereaktion, also die Ausbildung der Brückenbindungen ohne externe Energiezufuhr ablaufen. Der Fügevorgang geschieht kontinuierlich durch die Ausbreitung einer Bondwelle. Der theoretische Hintergrund ist in US 7,479,441 B2, US 8,475,612 B2, US 6,881 ,596 B2, und WO 2014 / 191 033 beschrieben. During the prebond step, the substrate surfaces are brought into contact with each other over a very small area. In other words, the joining reaction is initiated, after which the joining reaction, i.e. the formation of the bridge bonds, can take place without external energy supply. The joining process takes place continuously through the propagation of a bonding wave. The theoretical background is described in US 7,479,441 B2, US 8,475,612 B2, US 6,881,596 B2, and WO 2014/191 033.
Falls die Bondwelle bei zwei identischen, nicht strukturierten Substraten zentrisch initiiert wurde, läuft sie im Idealfall als konzentrisch wachsende Kreisfront den Substratradius entlang. Strukturierte Substrate, Störstellen, etc. verändern den Lauf der Bondwelle. Unter nicht optimalen Bedingungen können nicht gebondete Bereiche (engl.: voids) zwischen den beiden Substraten, z.B. durch Gaseinschlüsse, Partikeleinschlüsse etc. entstehen. If the bond wave was initiated centrally on two identical, non-structured substrates, it ideally runs as a concentrically growing circular front along the substrate radius. Structured substrates, defects, etc. change the path of the bond wave. Under non-optimal conditions, non-bonded areas (voids) can arise between the two substrates, e.g. due to gas inclusions, particle inclusions, etc.
Unter nicht optimalen Bedingungen können Strukturen auf den Substraten oder die Anisotropie des Substratmaterials den Verlauf der Bondwelle verändern. Jegliche Veränderung des Verlaufs der Bondwelle kann der Fachmann als Ausrichtungsfehler am gefügten Substratstapel ausmessen. Des Weiteren können Fügefehler als Resultat von Ausrichtungsfehlern, (insbesondere aus den folgenden Fehlerkomponenten: Skalierungsfehler, engl. Run-out-Fehler), Rotationsfehlern, Translationsfehlern, Restfehlern, Temperaturkompensationsfehlern, entstehen. Es können nicht entdeckte bzw. nicht kritische Fehler der Einzelsubstrate oder insbesondere in Dünnschichttechnologie hergestellten funktionalen Einheiten in einer Fehlerfortpflanzung sich addieren und erst nach dem Prebondvorgang de- tektierbar und quantifizierbar sein. Under non-optimal conditions, structures on the substrates or the anisotropy of the substrate material can change the course of the bonding wave. Any change in the course of the bonding wave can be measured by a specialist as an alignment error on the joined substrate stack. Furthermore, joining errors can arise as a result of alignment errors (in particular from the following error components: scaling errors, run-out errors), rotation errors, translation errors, residual errors, temperature compensation errors. Undetected or non-critical errors in the individual substrates or in particular in functional units manufactured using thin-film technology can add up in an error propagation and can only be detected and quantified after the pre-bonding process.
Obwohl die Substrate durch Ausrichtungsanlagen sehr genau zueinander ausgerichtet werden können, kann es während des Bondvorgangs selbst zu Verzerrungen der Substrate kommen. Durch die so entstehenden Verzerrungen werden die funktionalen Einheiten nicht notwendigerweise an allen Positionen korrekt zueinander ausgerichtet sein. Die Ausrichtungsungenauigkeit an einem bestimmten Punkt am Substrat kann ein Resultat einer Verzerrung, eines Skalierungsfehlers, eines Linsenfehlers (Vergrößerungs- bzw. Verkleinerungsfehlers) etc. sein. In der Halbleiterindustrie werden alle Themenbereiche, die sich mit derartigen Problemen befassen unter dem Begriff „Overlay" subsumiert. Eine entsprechende Einführung zu diesem Thema findet man beispielsweise in: Mack, Chris. Fundamental Principles of Optical Lithography - The Science of Microfabrication. WILEY, 2007, Reprint 2012. Although the substrates can be aligned very precisely with each other using alignment equipment, distortions of the substrates can occur during the bonding process itself. Due to the resulting distortions, the functional units will not necessarily be correctly aligned with each other at all positions. The alignment inaccuracy at a certain point on the substrate can be a result of distortion, a scaling error, a lens error (magnification or reduction error), etc. In the semiconductor industry, all topics that deal with such problems are subsumed under the term "overlay". An introduction to this topic can be found, for example, in: Mack, Chris. Fundamental Principles of Optical Lithography - The Science of Microfabrication. WILEY, 2007, Reprint 2012.
Jede funktionale Einheit wird vor dem eigentlichen Herstellprozess im Computer entworfen. Beispielsweise werden Leiterbahnen, Mikrochips, MEMS, oder jede andere mit Hilfe der Mikrosystemtechnik herstellbare Struktur, in einem CAD (engl.: computer aided design) Programm entworfen. Während der Herstellung der funktionalen Einheiten zeigt sich allerdings, dass es immer eine Abweichung zwischen den idealen, am Computer konstruierten, und den realen, im Reinraum produzierten, funktionalen Einheiten gibt. Die Unterschiede sind vorwiegend auf Limitierungen der Hardware, also ingenieurstechnischen Probleme, sehr oft aber auf physikalischen Grenzen, zurückzuführen. Every functional unit is designed on the computer before the actual manufacturing process. For example, circuit paths, microchips, MEMS, or any other structure that can be manufactured using microsystem technology are designed in a CAD (computer-aided design) program. During the manufacture of the functional units, however, it becomes apparent that there is always a deviation between the ideal functional units designed on the computer and the real functional units produced in the clean room. The differences are mainly due to limitations of the hardware, i.e. engineering problems, but very often to physical limits.
So ist die Auflösungsgenauigkeit einer Struktur, die durch einen photolithographischen Prozess hergestellt wird, durch die Größe der Aperturen der Photomaske und die Wellenlänge des verwendeten Lichts (elektromagnetische Strahlung) begrenzt. Maskenverzerrungen werden direkt in den Photoresist und somit in die hergestellten Strukturen übertragen. Bewegungsvorrichtungen wie Führungen mit den daran gekoppelten Antriebssystemen können binnen einer vorgegebenen Toleranz reproduzierbare Positionen anfahren, etc. Daher verwundert es nicht, dass die funktionalen Einheiten eines Substrats nicht exakt den am Computer konstruierten Strukturen gleichen können. The resolution accuracy of a structure produced by a photolithographic process is limited by the size of the apertures of the photomask and the wavelength of the light used (electromagnetic radiation). Mask distortions are transferred directly into the photoresist and thus into the structures produced. Movement devices such as guides with the drive systems coupled to them can move to reproducible positions within a specified tolerance, etc. It is therefore not surprising that the functional units of a substrate cannot exactly match the structures designed on the computer.
Alle Substrate besitzen daher bereits vor dem Bondprozess eine nicht vernachlässigbare Abweichung vom Idealzustand. All substrates therefore have a non-negligible deviation from the ideal state even before the bonding process.
Vergleicht man nun die Positionen und/oder Formen zweier gegenüberliegender funktionaler Einheiten zweier Substrate, d. h. eines ersten Substrats und eines zweiten Substrats, unter der Annahme, dass keines der beiden Substrate durch einen Verbindungsvorgang verzerrt wird, so stellt man fest, dass im Allgemeinen bereits eine nicht perfekte Deckung der funktionalen Einheiten vorliegt, da diese durch die oben beschriebenen Fehler vom idealen Computermodell abweichen. Die häufigsten Fehler werden dargestellt in https://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AOverlay - typical model terms DE.svg , 24.05.2013 und Mack, Chris. Fundamental Principles of Optical Lithography - The Science of Microfabrication. Chichester: WJLEY, p. 312, 2007, Reprint 2012. Gemäß den Abbildungen kann man grob zwischen globalen und lokalen bzw. symmetrischen und asymmetrischen Overlayfehlern unterschieden. Ein globaler Overlayfehler ist homogen, daher unabhängig vom Ort. Er erzeugt die gleiche Abweichung zwischen zwei gegenüberliegenden funktionalen Einheiten unabhängig von der Position. Die klassischen globalen Overlayfehler sind die Fehler I. und II., welche durch eine Translation bzw. Rotation der beiden Substrate zueinander entstehen. Die Translation bzw. Rotation der beiden Substrate erzeugt einen dementsprechenden translatorischen bzw. rotatorischen Fehler für alle, jeweils gegenüberliegenden, funktionalen Einheiten auf den Substraten. Ein lokaler Overlayfehler entsteht ortsabhängig, vorwiegend durch Elastizitäts- und/oder Plastizitätsprobleme, im vorliegenden Fall vor allem hervorgerufen durch die sich kontinuierlich ausbreitende Bondwelle. Von den dargestellten Overlayfehlern werden vor allem die Fehler III. und IV. als „run-out" Fehler bezeichnet. Dieser Fehler entsteht vor allem durch eine Verzerrung mindestens eines Substrats während eines Bondvorgangs. Durch die Verzerrung mindestens eines Substrats werden auch die funktionalen Einheiten des ersten Substrats in Bezug auf die funktionalen Einheiten des zweiten Substrats verzerrt. Die Fehler I. und II. können allerdings ebenfalls durch einen Bondprozess entstehen, werden allerdings von den Fehlern III und IV. meistens so stark überlagert, dass sie nur schwer erkennbar bzw. messbar sind. If one now compares the positions and/or shapes of two opposing functional units of two substrates, i.e. a first substrate and a second substrate, assuming that neither of the two substrates is distorted by a bonding process, one finds that in general there is already an imperfect coverage of the functional units, since these deviate from the ideal computer model due to the errors described above. The most common errors are shown in https://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AOverlay - typical model terms DE.svg , 24.05.2013 and Mack, Chris. Fundamental Principles of Optical Lithography - The Science of Microfabrication. Chichester: WJLEY, p. 312, 2007, Reprint 2012. According to the figures, one can roughly distinguish between global and local or symmetrical and asymmetrical overlay errors. A global overlay error is homogeneous, therefore regardless of location. It produces the same deviation between two opposing functional units regardless of position. The classic global overlay errors are errors I and II, which arise from a translation or rotation of the two substrates relative to each other. The translation or rotation of the two substrates produces a corresponding translational or rotational error for all opposing functional units on the substrates. A local overlay error arises depending on location, predominantly due to elasticity and/or plasticity problems, in this case mainly caused by the continuously propagating bond wave. Of the overlay errors shown, errors III are particularly common. and IV. are referred to as "run-out" errors. This error is primarily caused by a distortion of at least one substrate during a bonding process. The distortion of at least one substrate also distorts the functional units of the first substrate in relation to the functional units of the second substrate. Errors I. and II. can also be caused by a bonding process, but are usually so heavily overlaid by errors III and IV. that they are difficult to detect or measure.
Im Stand der Technik existiert bereits eine Anlage, mit deren Hilfe man lokale Verzerrungen zumindest teilweise reduzieren kann. Es handelt sich dabei um eine lokale Entzerrung durch die Verwendung aktiver Steuerelemente. Eine solche Anlage wird beispielsweise in der EP 2 656 378 B1 beschrieben. In the state of the art, there is already a system that can be used to at least partially reduce local distortions. This involves local equalization through the use of active control elements. Such a system is described, for example, in EP 2 656 378 B1.
Im Stand der Technik existieren bereits weitere Lösungsansätze zur Korrektur von „run- out"-Fehlern. Die US 2012 0 077 329 A1 beschreibt eine Methode, um eine gewünschte Ausrichtungsgenauigkeit zwischen den funktionalen Einheiten zweier Substrate während und nach dem Bonden zu erhalten. Die entstehenden „run-out" Fehler werden in den meisten Fällen radialsymmetrisch um die Kontaktstelle stärker, nehmen daher von der Kontaktstelle zum Umfang zu. In den meisten Fällen handelt es sich um eine linear zunehmende Verstärkung der „run-out" Fehler. Unter speziellen Bedingungen können die „run-out" Fehler auch nichtlinear zunehmen. In the state of the art, there are already other approaches to correcting run-out errors. US 2012 0 077 329 A1 describes a method for achieving a desired alignment accuracy between the functional units of two substrates during and after bonding. In most cases, the resulting run-out errors become stronger radially symmetrically around the contact point, and therefore increase from the contact point to the circumference. In most cases, the run-out errors increase linearly. Under special conditions, the run-out errors can also increase non-linearly.
Unter besonders guten Bedingungen können die „run-out“ Fehler nicht nur durch entsprechende Messgeräte (EP 2 463 892 B1) ermittelt, sondern auch durch mathematische Funktionen beschrieben, zumindest angenähert werden. Da die Overlay-Fehler Translationen und/oder Rotationen und/oder Skalierungen zwischen wohldefinierten Punkten darstellen, werden sie mit Vorzug durch Vektorfunktionen beschrieben. Im Allgemeinen han- delt es sich bei dieser Vektorfunktion um eine Funktion f:R2-> R2, daher um eine Abbildungsvorschrift, die den zweidimensionalen Definitionsbereich der Ortskoordinaten auf den zweidimensionalen Wertebereich von „run-out" Vektoren abbildet. Obwohl noch keine exakte mathematische Analyse der entsprechenden Vektorfelder vorgenommen werden konnte, werden Annahmen bezüglich der Funktionseigenschaften getätigt. Die Vektorfunktionen sind mit großer Wahrscheinlichkeit mindestens CAn n>= 1 , Funktionen, daher mindestens einmal stetig differenzierbar. Da die „run-out" Fehler vom Kontaktierungspunkt zum Rand zunehmen, wird die Divergenz der Vektorfunktion wahrscheinlich von Null verschieden sein. Bei dem Vektorfeld handelt es sich daher mit großer Wahrscheinlichkeit um ein Quellenfeld. Under particularly good conditions, the run-out errors can not only be determined by appropriate measuring instruments (EP 2 463 892 B1), but can also be described, or at least approximated, by mathematical functions. Since the overlay errors represent translations and/or rotations and/or scalings between well-defined points, they are preferably described by vector functions. In general, This vector function is a function f:R2-> R2, and therefore a mapping rule that maps the two-dimensional definition range of the position coordinates onto the two-dimensional value range of "run-out" vectors. Although an exact mathematical analysis of the corresponding vector fields has not yet been carried out, assumptions are made regarding the function properties. The vector functions are most likely at least C A n n>= 1 , functions, and therefore continuously differentiable at least once. Since the "run-out" errors increase from the contact point to the edge, the divergence of the vector function will probably be different from zero. The vector field is therefore most likely a source field.
Viele Fehler wie Gaseinschlüsse oder Skalierungsfehler sind vor allem auf den Prebond- Schritt, insbesondere auf den Verlauf der Bondwelle bzw. die Beschaffenheit und/oder Ausbildung und/oder Funktionalität des jeweiligen Substrathalters (engl.: chuck) zurückzuführen. Im Stand der Technik sind Verfahren bekannt, welche eine quantitative Aussage über den Verlauf der Bondwelle liefern. Many errors such as gas inclusions or scaling errors are primarily due to the prebond step, in particular to the course of the bonding wave or the nature and/or design and/or functionality of the respective substrate holder (chuck). In the state of the art, methods are known which provide a quantitative statement about the course of the bonding wave.
Die am häufigsten eingesetzte Methode zum Überwachen des Bondvorgangs ist die Beobachtung des Verlaufs der Bondwelle mit optischen Mitteln, insbesondere Kamerasystemen, speziell mit einem Durchlichtverfahren insbesondere im infraroten Spektrum, wobei die Substrate eine für die Beobachtung der Bondwelle ausreichende Transparenz aufweisen müssen. Obwohl diese Methode gängige Praxis ist, hat sie Nachteile. Nicht alle Substrate sind für Durchlichtverfahren geeignet, insbesondere Metallisierungen hindern die Beobachtbarkeit des Bondinterface, welche beim Verbinden der beiden zu fügenden Substratoberflächen entsteht. Weiterhin können Dotierungen bei Halbleitersubstraten die Transmittanz der elektromagnetischen Strahlung beeinflussen. Darüber hinaus stellt ein Durchlichtverfahren spezielle Anforderungen an alle Substrathalter, da sie für die Strahlung ebenfalls durchlässig sein sollen, was auch Probleme bei der Reproduzierbarkeit der Ergebnisse verursachen kann. The most commonly used method for monitoring the bonding process is to observe the path of the bonding wave using optical means, particularly camera systems, especially using a transmitted light method, particularly in the infrared spectrum, whereby the substrates must have sufficient transparency to observe the bonding wave. Although this method is common practice, it has disadvantages. Not all substrates are suitable for transmitted light methods; in particular, metallizations prevent the observability of the bonding interface that is created when the two substrate surfaces to be joined are connected. Furthermore, doping in semiconductor substrates can influence the transmittance of electromagnetic radiation. In addition, a transmitted light method places special demands on all substrate holders, as they must also be permeable to the radiation, which can also cause problems with the reproducibility of the results.
Alle bisher bekannten Techniken, welche den Verlauf der Bondwelle messen, beobachten den Prebondvorgang direkt durch die Substrate bzw. vermessen die Wirkung der Anziehungskraft, bei der die Substrate gefügt werden. Es ist bisweilen kein genaues, kommerziell verfügbares Messverfahren bzw. keine Messvorrichtung vorhanden, welche den Verlauf der Bondwelle mit hoher Ortsauflösung bei allen Substraten unabhängig von deren materiellen Beschaffenheit beobachten kann und/oder zur Kalibrierung der Bondvorrichtung verwendbar ist. Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung und ein Verfahren zur Vermessung und zur Beeinflussung der Bondwelle beim Fusionsbonden zweier Substrate zu offenbaren. All previously known techniques that measure the course of the bonding wave observe the prebonding process directly through the substrates or measure the effect of the attractive force at which the substrates are joined. There is currently no precise, commercially available measuring method or measuring device that can observe the course of the bonding wave with high spatial resolution for all substrates, regardless of their material properties, and/or can be used to calibrate the bonding device. It is therefore an object of the invention to disclose an improved device and a method for measuring and influencing the bonding wave during fusion bonding of two substrates.
Die vorliegende Erfindung löst die Aufgabe mit einem Verfahren zum Bonden eines ersten Substrats mit einem zweiten Substrat gemäß Anspruch 1 und mit einer Vorrichtung zum Bonden gemäß Anspruch 11 sowie einem Substrathalter gemäß Anspruch 14 und ein Sensorelement gemäß Anspruch 15. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen auch sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei in der Beschreibung, in den Ansprüchen und/oder den Zeichnungen angegebenen Merkmalen. Bei angegebenen Wertebereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart gelten und in beliebiger Kombination beanspruchbar sein. The present invention solves the problem with a method for bonding a first substrate to a second substrate according to claim 1 and with a device for bonding according to claim 11 as well as a substrate holder according to claim 14 and a sensor element according to claim 15. Advantageous developments of the invention are specified in the subclaims. The scope of the invention also includes all combinations of at least two features specified in the description, in the claims and/or in the drawings. In the case of specified value ranges, values lying within the stated limits should also be considered as disclosed limit values and can be claimed in any combination.
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Verfahren zum Bonden eines ersten Substrats mit einem zweiten Substrat vorgesehen, wobei das erste Substrat einen Primärabschnitt und das zweite Substrat einen Sekundärabschnitt aufweist, wobei beim Bonden des ersten Substrats mit dem zweiten Substrat eine entlang einer Bondrichtung fortschreitende Bondwelle zwischen According to a first aspect, a method is provided for bonding a first substrate to a second substrate, wherein the first substrate has a primary section and the second substrate has a secondary section, wherein during bonding of the first substrate to the second substrate a bonding wave advancing along a bonding direction between
-- einem ersten Teilabschnitt, in dem das erste Substrat und das zweite Substrat verbunden sind, und -- a first section in which the first substrate and the second substrate are connected, and
-- einem zweiten Teilabschnitt, in dem das erste Substrat und das zweite Substrat noch zu verbinden sind, gebildet wird, wobei ein Teilbereich des zweiten Substrats im zweiten Teilabschnitt gegenüber einem Teilbereich des zweiten Substrats im ersten Teilabschnitt in einer senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung höhenversetzt ist, wobei vor und/oder während des Bondens zur Zustandsbestimmung eines Objektes, Licht auf eine Oberfläche des Objektes gerichtet und reflektiert wird und das von der Oberfläche reflektierte Licht mittels eines Sensorelements zur Abstandsbestimmung zwischen dem Sensorelement und der Oberfläche vermessen wird und ein Abstand zwischen dem Sensorelement und der Oberfläche bestimmt wird. -- a second subsection is formed in which the first substrate and the second substrate are still to be connected, wherein a subregion of the second substrate in the second subsection is offset in height relative to a subregion of the second substrate in the first subsection in a direction running perpendicular to a main extension plane, wherein before and/or during bonding to determine the state of an object, light is directed onto a surface of the object and reflected and the light reflected from the surface is measured by means of a sensor element to determine the distance between the sensor element and the surface and a distance between the sensor element and the surface is determined.
Im Gegensatz zu den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren wird reflektiertes Licht von der Oberfläche eines Objekts, beispielsweise von einer Rückseite des zweiten Substrats, dazu genutzt, eine Zustandsbestimmung des Objekts, beispielsweise des zwei- ten Substrats, vorzunehmen. Insbesondere erweist sich das Verfahren als besonders vorteilhaft, weil verschiedene Objekte bzw. Objekttypen mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften hierbei vermessen werden können, insbesondere dann, wenn sie ein gewisses Reflektionsvermögen für das verwendete Licht haben. Dabei kann man sich mit Vorteil konstruktiv auf eine Methode beschränken, mit der mehrere Objekte mit demselben Sensorelement vermessen werden können. Beispielsweise ist es möglich, neben der Zustandsbestimmung des zweiten Substrats während des Bondens auch eine Ausrichtung der Substrathalter für das erste Substrat vor dem Bonden mit demselben Sensorelement zu bestimmen. Dies alles kann mit einer einzelnen konstruktiven Maßnahme an der Vorrichtung zum Bonden, insbesondere mit dem Sensorelement zur Erfassung des reflektierten Lichtes, gewährleistet werden. Dies ist beispielweise nicht möglich, wenn ein Durchleuchtungsverfahren für das zweite Substrat vorgesehen ist, da ein Substrathalter für das erste Substrat oder ein erstes Substrat in der Regel nicht durchleuchtet werden können. Hier wäre eine alternative Vermessungsmethode erforderlich. Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass das Verfahren zur Zustandsbestimmung zweier verschiedener Objekte vorgesehen ist. In contrast to the methods known from the prior art, reflected light from the surface of an object, for example from a back side of the second substrate, is used to determine the state of the object, for example the second substrate. In particular, the method proves to be particularly advantageous because different objects or object types with different optical properties can be measured, especially if they have a certain reflectivity for the light used. In this case, it is advantageous to limit the design to a method with which several objects can be measured with the same sensor element. For example, in addition to determining the state of the second substrate during bonding, it is also possible to determine an alignment of the substrate holder for the first substrate before bonding with the same sensor element. All of this can be ensured with a single design measure on the bonding device, in particular with the sensor element for detecting the reflected light. This is not possible, for example, if an X-ray method is provided for the second substrate, since a substrate holder for the first substrate or a first substrate cannot usually be X-rayed. An alternative measurement method would be required here. Preferably, the method is provided for determining the state of two different objects.
Ferner hat sich die Bestimmung des Abstandes mittels des reflektierten Lichtes auch deshalb als besonders vorteilhaft erwiesen, da dadurch eine Möglichkeit gegeben wird, den Abstand zwischen Sensorelement und Oberfläche möglichst genau und prozesssicher zu bestimmen. Als Zustandsbestimmung wird insbesondere eine aktuelle Lage oder Ausrichtung zumindest eines Teilabschnitts des Objekts, beispielswiese des zweiten Substrats oder einer Substrathalterung des ersten bzw. zweiten Substrats, vor oder während des Bondens verstanden, besonders bevorzugt im Bereich der Bondwelle oder in einem an die Bondwelle angrenzenden Bereich. Dabei erweist sich die Vorgehensweise, rückreflektiertes Licht zu Zustandsbestimmung zu nutzen als besonders vorteilhaft, da dies auch dann möglich ist, wenn das Objekt, beispielsweise das zweite Substrat, nicht transparent für eine Wellenlänge ist, mit der das zweite Substrat untersucht wird. Damit erweist sich das erfindungsgemäße Verfahren als besonders vorteilhaft im Vergleich zu solchen Verfahren, bei denen beispielsweise ein Durchleuchten des zweiten Substrats vorgesehen ist. Ein solches aus dem Stand der Technik bekanntes Vorgehen ist schließlich begrenzt auf zweite Substrate mit einer gewissen Transparenz für die verwendete Wellenlänge. Im Folgenden werden bevorzugt das zweite Substrat und das obere Substrat auf der einen Seite und das erste Substrat und das untere Substrat auf der anderen Seite synonym verwendet. Die Zustandsbestimmung umfasst beispielsweise auch einen zumindest lokal erfassten Abstand zwischen dem Primärabschnitt des ersten Substrats und dem Sekundärabschnitt des zweiten Substrats. Denkbar ist auch, dass das Objekt, beispielsweise das zweite Substrat, an seiner Oberfläche derart modifiziert ist, dass sein Reflexionsvermögen erhöht ist, insbesondere im Vergleich zu einer unmodifizierten Oberfläche. Beispielsweise ist eine das Reflexionsvermögen erhöhende Beschichtung vorstellbar. Furthermore, determining the distance using reflected light has also proven to be particularly advantageous because it makes it possible to determine the distance between the sensor element and the surface as accurately and reliably as possible. State determination is understood to mean, in particular, a current position or orientation of at least a partial section of the object, for example the second substrate or a substrate holder of the first or second substrate, before or during bonding, particularly preferably in the area of the bonding wave or in an area adjacent to the bonding wave. The procedure of using reflected light to determine the state has proven to be particularly advantageous because this is also possible when the object, for example the second substrate, is not transparent to a wavelength with which the second substrate is examined. The method according to the invention therefore proves to be particularly advantageous compared to methods in which, for example, the second substrate is illuminated. Such a procedure known from the prior art is ultimately limited to second substrates with a certain transparency for the wavelength used. In the following, the second substrate and the upper substrate on the one hand and the first substrate and the lower substrate on the other hand are preferably used synonymously. The state determination also includes, for example, an at least locally detected distance between the primary section of the first substrate and the secondary section of the second substrate. It is also conceivable that the object, for example the second substrate, is modified on its surface in such a way that its reflectivity is increased, in particular in comparison to an unmodified surface. For example, a coating that increases the reflectivity is conceivable.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass als Bestandteil des Sensorelements zumindest ein optisches Faserelement genutzt wird und wobei bevorzugt als Sensorelement ein faseroptischer Abstandsensor verwendet wird. Die Nutzung eines Faserelements gestattet die Lichtführung bis zu einem Bereich, der vergleichsweise nah am zweiten Substrat bzw. am Objekt angeordnet ist, während beispielsweise eine Lichtquelle, die Wärme entwickelt, möglichst weit vom zweiten Substrat bzw. dem Objekt entfernt sein kann. Dadurch wird mit Vorteil verhindert, dass die Lichtquelle und dessen Wärmeentwicklung das zweite Substrat oder das zu vermessene Objekt beeinträchtigen können. Vorstellbar ist auch, dass zur Abstandsbestimmung ein interferometrisches Sensorsystem verwendet wird o- der ein System, bei dem die Laufzeiten von Lichtpulsen durch deren Überlagerung bestimmt und anschließend zur Abstandsbestimmung herangezogen wird. Dadurch lassen sich ebenfalls besonders geringfügige Verschiebungen bzw. Abstandsänderung registrieren. Bevorzugt handelt es sich bei dem verwendeten Licht um Laserlicht. Dabei kann mit Vorteil eine bevorzugte Wellenlänge verwendet werden, die von Vorteil ist für eine möglichst maximale Reflexion am Objekt oder mehreren verschiedenen Objekten und/oder für ein Einkoppeln in das Faserelement. Preferably, at least one optical fiber element is used as a component of the sensor element, and a fiber optic distance sensor is preferably used as the sensor element. The use of a fiber element allows the light to be guided to an area that is arranged relatively close to the second substrate or the object, while, for example, a light source that develops heat can be as far away from the second substrate or the object as possible. This advantageously prevents the light source and its heat development from affecting the second substrate or the object to be measured. It is also conceivable that an interferometric sensor system is used to determine the distance, or a system in which the travel times of light pulses are determined by superimposing them and then used to determine the distance. This also makes it possible to register particularly slight shifts or changes in distance. The light used is preferably laser light. A preferred wavelength can advantageously be used here, which is advantageous for the maximum possible reflection on the object or several different objects and/or for coupling into the fiber element.
Ein besonderer Vorteil von Faseroptiken ist, dass die Anzahl der Sensorelemente pro Flächeneinheit, d. h. die Sensorelementflächendichte, stark erhöht werden kann, was eine extreme Steigerung der Auflösungsgenauigkeit ermöglicht. Im Stand der Technik verwendete Sensorelemente sind sehr groß und voluminös, da sie meistens mit der Elektronik zusammen am Substrathalter verbaut werden. Hierzu ist es bevorzugt vorgesehen, dass Faserelemente vorgesehen sind, bei denen Faserenden zur Signalaufnahme vorgesehen sind. Ferner umfassen die Faserelemente Signalübertragungsabschnitte, die beispielsweise zur Signalführung vorgesehen sind. Dabei sind die Signalübertragungsabschnitte vorzugsweise zu Lichtleitung und/oder zur Übertragung von elektrischen Signalen vorgesehen. Dadurch ist mit Vorteil möglich, an einem Substrathalter oder in dessen Nähe die Faserenden anzuordnen. Dadurch kann die Dichte an Faserenden im Bereich des Substrathalters erhöht werden. Dies wirkt sich positiv auf die Ortsauflösung auf. Durch die Signalübertragungsabschnitte kann eine Auswerteeinrichtung in einem ausreichend großen Abstand zu dem Faserende platziert werden. Mit anderen Worten: Die Platzierung von Signalwandlern oder Auswerteeinrichtung am Substrathalter kann mit Vorteil vermieden werden. A particular advantage of fiber optics is that the number of sensor elements per unit area, i.e. the sensor element surface density, can be greatly increased, which enables an extreme increase in resolution accuracy. Sensor elements used in the prior art are very large and bulky, as they are usually installed on the substrate holder together with the electronics. For this purpose, it is preferably provided that fiber elements are provided in which fiber ends are provided for signal reception. The fiber elements also comprise signal transmission sections, which are provided for signal guidance, for example. The signal transmission sections are preferably provided for light guidance and/or for transmitting electrical signals. This advantageously makes it possible to arrange the fiber ends on a substrate holder or in its vicinity. This allows the density of fiber ends in the area of the substrate holder to be increased. This has a positive effect on the spatial resolution. An evaluation device can be placed at a sufficiently large distance from the fiber end in signal transmission sections. In other words: The placement of signal converters or evaluation devices on the substrate holder can advantageously be avoided.
Das bevorzugte Sensorelement ist ein faseroptischer Abstandssensor. Der faseroptische Abstandssensor beinhaltet zumindest eine Strahlungsquelle, eine Lichtleitfaser eine Auswerteeinheit. Der Lichtleiter beinhaltet zumindest zwei Fasern oder zwei Faserbündel. Eine Faser wird als Leitung für die Einkopplung der Strahlung der Strahlungsquelle aufs Substrat verwendet und eine Faser wird zur Auskopplung des geänderten Messsignals und Zuführen des Signals in die Auswerteeinheit verwendet. Die Auswerteeinheit rechnet aus der Veränderung des Messwertes des insbesondere kalibrierten faseroptischen Abstandssensors insbesondere den Verlauf der Bondwelle. The preferred sensor element is a fiber optic distance sensor. The fiber optic distance sensor contains at least one radiation source, an optical fiber and an evaluation unit. The optical fiber contains at least two fibers or two fiber bundles. One fiber is used as a line for coupling the radiation from the radiation source onto the substrate and one fiber is used to decouple the changed measurement signal and feed the signal into the evaluation unit. The evaluation unit calculates the course of the bond wave in particular from the change in the measured value of the particularly calibrated fiber optic distance sensor.
Das gemessene Signal des faseroptischen Abstandsensors ist bevorzugt eine Intensitätsänderung, welche mit einem Abstand oder Abstandsänderung korreliert wird. Über die charakteristische Funktion der reflektierten Intensität wird die Distanz zwischen Faser und reflektierender Oberfläche gemessen. Mit anderen Worten dient der faseroptische Abstandssensor zur berührungslosen Messung eines Abstandes oder einer Feinverschiebung zwischen Sensor und einer anzutastenden Fläche, insbesondere der Rückseite eines Substrats oder die Oberfläche des Substrathalters. Dabei können Abstandsunterschiede oder Abstände unter 5 Nanometer und/oder Frequenzen von über 100 MHz mit faseroptischen Abstandssensoren berührungslos erfasst werden. Das faseroptische Messsystem gestattet Arbeitsabstände im Mikrometer- bis Zentimeterbereich mit hoher Distanz- und zeitlicher Auflösung. Das aus einer Lichtleitfaser abgestrahlte Strahlungsbündel wird nach der Reflexion am Messobjekt, insbesondere Rückseite des Substrats durch eine zweite Lichtleitfaser aufgenommen und durch optoelektronische Wandler in eine elektrische Spannung umgesetzt. Durch die abstandsabhängige Abbildung des Strahlungsbündels auf den empfängerseitigen Lichtleiter werden unterschiedliche Strahlungsströme zum Empfänger, also zur Auswerteeinheit geleitet. Der Verlauf der Span- nungs-Abstands-Kennlinie wird durch das optische Abbildungsverhalten und das photometrische Entfernungsgesetz bestimmt. Das optische Abbildungsverhalten kann mit dem mittleren Lichtstrahl annähernd beschrieben werden. Dieser Strahl tritt in der Mitte des sendenden Lichtleiters aus, trifft unter einem bestimmten Winkel zwischen den Lichtleitern auf das Messobjekt, insbesondere Rückseite des Substrats und gelangt durch Reflexion mit demselben Winkel auf den empfangenden Lichtleiter. Der Intensitätsverlauf kann in Abhängigkeit vom Eintrittswinkel mit einem Sinusfunktion beschrieben werden. Einen weiteren Einfluss auf die Intensität hat die Weglänge des Lichtes. Die Intensität I nimmt quadratisch mit dem Abstand a ab, wobei der Abstand zwischen Faserelement und Messobjekt, insbesondere dem ersten und/oder zweiten Substrat, gemessen werden soll. Soll das Modell genauer beschreiben werden, so sind neben dem mittleren Strahl alle Strahlverläufe integral einzubeziehen. Die Lichtintensität auf dem Messobjekt kann vereinfacht mit folgender Gleichung beschrieben werden: l(Messobjekt)=K’ * sin(Einfallswinkel a) * 1 / aA2 The measured signal of the fiber optic distance sensor is preferably an intensity change that is correlated with a distance or distance change. The distance between the fiber and the reflective surface is measured using the characteristic function of the reflected intensity. In other words, the fiber optic distance sensor is used for the contactless measurement of a distance or a fine displacement between the sensor and a surface to be probed, in particular the back of a substrate or the surface of the substrate holder. Distance differences or distances of less than 5 nanometers and/or frequencies of over 100 MHz can be detected contactlessly using fiber optic distance sensors. The fiber optic measuring system allows working distances in the micrometer to centimeter range with high distance and temporal resolution. The radiation beam emitted from an optical fiber is picked up by a second optical fiber after reflection on the measurement object, in particular the back of the substrate, and converted into an electrical voltage by optoelectronic converters. Due to the distance-dependent imaging of the radiation beam onto the receiver-side optical fiber, different radiation currents are directed to the receiver, i.e. to the evaluation unit. The course of the voltage-distance characteristic curve is determined by the optical imaging behavior and the photometric distance law. The optical imaging behavior can be approximately described using the mean light beam. This beam emerges in the middle of the transmitting optical fiber, hits the measuring object, in particular the back of the substrate, at a certain angle between the optical fibers and reaches the receiving optical fiber at the same angle through reflection. The intensity course can be described in Depending on the angle of incidence, the intensity can be described with a sine function. The path length of the light also influences the intensity. The intensity I decreases quadratically with the distance a, whereby the distance between the fiber element and the measurement object, in particular the first and/or second substrate, is to be measured. If the model is to be described more precisely, all beam paths must be included integrally in addition to the middle beam. The light intensity on the measurement object can be described in a simplified manner with the following equation: l(measurement object)=K' * sin(angle of incidence a) * 1 / a A 2
Der Winkel a, ist der Winkel zwischen dem einfallenden oder reflektierten Strahl und der Oberfläche des Messobjekts, insbesondere der Rückseite des Substrats. Die Konstante K' bzw. K stellt eine Systemkonstante dar, die im Wesentlichen von den Eigenschaften der Lichtleitfasern und von den Reflexionseigenschaften des Messobjektes abhängen. The angle a is the angle between the incident or reflected beam and the surface of the measurement object, in particular the back of the substrate. The constant K' or K represents a system constant that essentially depends on the properties of the optical fibers and the reflection properties of the measurement object.
Da der weitere Verlauf des Lichtes nun vom Messobjekt bzw. der Oberfläche des Objektes zum Empfänger erfolgt, muss die Gleichung ein weiteres Mal angewendet werden. Die Intensität, die am Empfänger anliegt und in der Auswerteeinheit ausgewertet wird, entspricht qualitativ folgendem Verlauf: l(Empfänger)=K * sin(Einfallswinkel a) * (1 / aA2) * sin(Einfallswinkel a) * (1 / aA2) Since the light now continues from the measuring object or the surface of the object to the receiver, the equation must be applied once more. The intensity that is present at the receiver and evaluated in the evaluation unit corresponds qualitatively to the following curve: l(receiver)=K * sin(angle of incidence a) * (1 / a A 2) * sin(angle of incidence a) * (1 / a A 2)
Der Abstandssensor kann in zwei Arbeitsbereichen betrieben werden. Im ansteigenden Bereich besitzt der Sensor eine höhere Empfindlichkeit (Steilheit) als im abfallenden Bereich. Ein Nachteil bei der faseroptischen Abstandsmessung ist der Bedarf der relativ großen Messflächen. Man kann die Flächen reduzieren, indem man die Lichtleitfasern bzw. Faserelemente verkleinert. Eine Verkleinerung jedoch würde eine Reduzierung des Lichtstromes im Lichtleitfaser bedeuten. Dadurch kann am Empfänger nicht mehr genug Lichtenergie eingekoppelt werden, um ein ausreichend hohes Signal zu erzeugen. Dieses Problem wird reduziert, indem anstatt der zwei Lichtleitfasern ein ganzes Faserbündel verwendet. Die Hälfte der Lichtleitfasern dient der Auskopplung des Lichtes, wobei die andere Hälfte des Bündels der Strahlungseinkopplung zum Empfänger dient. Die Verteilung der einzelnen Fasern kann dabei stochastisch sein. The distance sensor can be operated in two working ranges. In the rising range, the sensor has a higher sensitivity (slope) than in the falling range. A disadvantage of fiber optic distance measurement is the need for relatively large measuring areas. The areas can be reduced by making the optical fibers or fiber elements smaller. However, making them smaller would mean a reduction in the luminous flux in the optical fiber. As a result, not enough light energy can be coupled into the receiver to generate a sufficiently high signal. This problem is reduced by using a whole fiber bundle instead of two optical fibers. Half of the optical fibers are used to output the light, while the other half of the bundle is used to couple the radiation to the receiver. The distribution of the individual fibers can be stochastic.
Am Anfang des Signalweges befindet sich die Lichtquelle. Die Wellenlänge des Lichtes muss den Lichtleitfasern, den abzutastenden Flächen, insbesondere Substraten und/oder Substrathaltern und dem optoelektronischen Wandler, welche als Auswerteeinheit verwendet wird, angepasst sein. Die Strahlungsquelle kann bevorzugt eine LED sein. Die LED kann dabei mit Gleichstrom betrieben werden. In alternativen Ausführungsformen der Vorrichtung können vorteilhaft auch Strahlungseinspeisungen mit oszillierender Strahlung bzw. Licht verwendet werden. Die Strahlung wechselt dabei ständig ihre Intensität. Diese Art von Modulation oder Lock-in bringt dabei den Vorteil mit sich, dass die Störeinflüsse und mögliche Fehlerquellen des Temperaturdrift und/oder der Umgebungshelligkeit eliminiert werden. Die Strahlungsquelle wird in geeigneter Form in die Lichtleitfasern eingekoppelt. Üblich sind integrierte Anordnungen (LED - Lichtleitfaser). Die Strahlung kann über größere Entfernungen zur abzutastenden Fläche übertragen werden. Dies ist bevorzugt in der erfindungsgemäßen Bondvorrichtung, denn somit können die Wärmequellen von den zu bondenden Substraten ferngehalten werden. At the beginning of the signal path is the light source. The wavelength of the light must match the optical fibers, the surfaces to be scanned, especially substrates and/or Substrate holders and the optoelectronic converter, which is used as an evaluation unit. The radiation source can preferably be an LED. The LED can be operated with direct current. In alternative embodiments of the device, radiation feeds with oscillating radiation or light can also be used. The radiation constantly changes its intensity. This type of modulation or lock-in has the advantage that the interference and possible sources of error from temperature drift and/or ambient brightness are eliminated. The radiation source is coupled into the optical fibers in a suitable form. Integrated arrangements (LED - optical fiber) are common. The radiation can be transmitted over greater distances to the surface to be scanned. This is preferred in the bonding device according to the invention, because it allows the heat sources to be kept away from the substrates to be bonded.
An die sendende Lichtleitfaser wird unmittelbar die empfangene Lichtleitfaser angeordnet. Die Ein- und Austrittsflächen der Lichtleitfasern werden plan geschliffen, um eine direkte Lichtübertragung quer zur Faser zu vermeiden. Bevorzugt sind somit zumindest zwei Faserelemente vorgesehen. The receiving optical fiber is arranged directly on the transmitting optical fiber. The entry and exit surfaces of the optical fibers are ground flat to prevent direct light transmission across the fiber. Preferably, at least two fiber elements are provided.
Insbesondere ist eine justierbare, insbesondere winkelabhängig justierbare, Befestigung eines Sensorkopfes des Sensorelement mit den Lichtleitfasern im Substrathalter vorgesehen. Die Übertragung über die Lichtleitfaser, d. h. das Faserelement, kann auch im Empfängerteil über größere Entfernungen realisiert werden, sodass eine funktionsintegrierte Einheit aus Strahlungsquelle und Auswertungseinheit vorteilhaft gebildet werden können. In particular, an adjustable, in particular angle-dependent, fastening of a sensor head of the sensor element with the optical fibers in the substrate holder is provided. The transmission via the optical fiber, i.e. the fiber element, can also be implemented in the receiver part over greater distances, so that a functionally integrated unit consisting of radiation source and evaluation unit can advantageously be formed.
Der Signalweg zur Vermessung der Bondwelle beim Fusionsbonden beginnt mit einer Strahlungsquelle, vorzugsweise einer LED. In dieser Offenbarung werden Licht insbesondere als sichtbares Licht und fürs menschliche Auge nicht sichtbare elektromagnetische Strahlung als Strahlung bezeichnet, jedoch versteht der Fachmann, dass Licht und Strahlung in der Offenbarung weitgehend austauschbare Begriffe darstellen. Sofern im Folgenden von LEDs als Strahlungsquelle gesprochen wird, ist für den Fachmann ersichtlich, dass es sich auch um andere Strahlungsquellen handeln kann. Das Licht oder die Strahlung der LED wird in das Faserbündel eingekoppelt, weitergeleitet und gelangt insbesondere an die Oberfläche der Rückseite des zu vermessenden Substrats. Von dort wird das ausgesendete Licht insbesondere an der Rückseite des Substrats reflektiert und in die empfangende Faser eingekoppelt. Die Lichtleitfasern enden an dem optoelektronischen Auswerteeinheit und koppeln das Licht dort ein. Der optoelektronische Wandler kann insbesondere ein Fototransistor oder eine Fotodiode oder ein Sekundärelektronenvielfacher (SEv) sein, welche das optische Signal in ein elektronisches Signal umwandelt. Bevorzugt werden die erzeugten elektrischen Signalströme bzw. Signalspannungen anschließend durch Operationsverstärker verstärkt. Die so erhaltenen, insbesondere analogen, Signale können nach einer Analog-Digitalwandlung an eine Datenlinie angeschlossen werden und insbesondere mit Rechnerunterstützung weiterverarbeitet und/oder gespeichert und/oder angezeigt werden. The signal path for measuring the bond wave during fusion bonding begins with a radiation source, preferably an LED. In this disclosure, light is referred to in particular as visible light and electromagnetic radiation that is not visible to the human eye is referred to as radiation, but the person skilled in the art understands that light and radiation are largely interchangeable terms in the disclosure. If LEDs are referred to as a radiation source below, it is clear to the person skilled in the art that other radiation sources can also be involved. The light or radiation from the LED is coupled into the fiber bundle, passed on and reaches in particular the surface of the back of the substrate to be measured. From there, the emitted light is reflected in particular on the back of the substrate and coupled into the receiving fiber. The optical fibers end at the optoelectronic Evaluation unit and couple the light there. The optoelectronic converter can in particular be a phototransistor or a photodiode or a secondary electron multiplexer (SEv), which converts the optical signal into an electronic signal. The electrical signal currents or signal voltages generated are preferably then amplified by operational amplifiers. The signals obtained in this way, in particular analogue ones, can be connected to a data line after an analogue-digital conversion and can be further processed and/or stored and/or displayed, in particular with computer support.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass ein eingestellter Abstand zwischen dem Sensorelement und der Oberfläche des Objekts einen Wert zwischen 10 pm und 1000 pm, bevorzugt zwischen 10 pm und 500 pm und besonders bevorzugt zwischen 10 pm und 200 pm annimmt. Beispielsweise lässt sich das Sensorelement auf einen (Grob)Abstand heranfahren, der im entsprechenden Wertebereich liegt, um möglichst hochaufgelöste Abstandswerte bestimmen zu können. Unter eingestelltem Abstand ist derjenige zu verstehen, der beim Ausrichten des Sensorelements gegenüber der zu vermessenden Oberfläche eingenommen wird. Preferably, a set distance between the sensor element and the surface of the object assumes a value between 10 pm and 1000 pm, preferably between 10 pm and 500 pm and particularly preferably between 10 pm and 200 pm. For example, the sensor element can be moved to a (rough) distance that lies in the corresponding value range in order to be able to determine distance values with the highest possible resolution. The set distance is understood to be the distance that is assumed when aligning the sensor element with respect to the surface to be measured.
Ein Sollwert der anzufahrenden Position, insbesondere eine Ausrichtungsmarkierung ist ein Idealwert. Eine Bewegungseinrichtung, mit der ein Substrathalter bewegt wird, nähert sich dem Idealwert an. Ein Erreichen einer definierten Umgebung um den Idealwert kann als Erreichen des Sollwertes verstanden werden. Als Grobpositioniervorrichtung wird eine Positioniervorrichtung verstanden, wenn die Anfahr- und/oder Wiederholgenauigkeit vom Sollwert mehr als 0,1%, bevorzugt mehr als 0,05%, besonders bevorzugt mehr als 0,01%, bezogen auf den gesamten Verfahrweg oder Rotationsbereich, bei umlauffähigen Rotationsantrieben eine volle Umdrehung von 360 Grad, abweicht. A target value of the position to be approached, in particular an alignment mark, is an ideal value. A movement device with which a substrate holder is moved approaches the ideal value. Reaching a defined area around the ideal value can be understood as reaching the target value. A positioning device is understood to be a coarse positioning device if the approach and/or repeat accuracy deviates from the target value by more than 0.1%, preferably more than 0.05%, particularly preferably more than 0.01%, based on the entire travel path or rotation range, a full rotation of 360 degrees in the case of rotary drives that can rotate.
Beispielsweise resultiert somit bei einer Grobpositioniervorrichtung mit einem Verfahrweg von über 600 mm (Doppeltes vom Substratdurchmesser) eine Anfahrgenauigkeit von 600 mm * 0,01%, also mehr als 60 Mikrometer als Restunsicherheit. For example, a coarse positioning device with a travel of more than 600 mm (twice the substrate diameter) results in an approach accuracy of 600 mm * 0.01%, i.e. more than 60 micrometers as residual uncertainty.
In anderen Ausführungsformen der Grobpositionierung ist die Restunsicherheit der Anfahr- oder Wiederholgenauigkeit weniger als 100 Mikrometer, bevorzugt weniger als 50 Mikrometer, besonders bevorzugt weniger als 10 Mikrometer. Dabei sollen die thermischen Störgrößen ebenfalls berücksichtigt werden. Dies ist dem Fachmann jedoch bekannt. Eine Grobpositioniervorrichtung erfüllt die Positionieraufgabe nur dann mit hinreichender Genauigkeit, falls zwischen der tatsächlich erreichten Ist-Position und dem Sollwert der Position die Abweichung im Verfahrbereich einer zugeordneten Feinpositioniervorrichtung liegt. In other embodiments of the coarse positioning, the residual uncertainty of the approach or repeat accuracy is less than 100 micrometers, preferably less than 50 micrometers, particularly preferably less than 10 micrometers. The thermal disturbances should also be taken into account. However, this is known to the person skilled in the art. A coarse positioning device only fulfils the positioning task with sufficient accuracy if the deviation between the actual position reached and the target value of the position lies within the travel range of an associated fine positioning device.
Eine alternative Grobpositioniervorrichtung erfüllt die Positionieraufgabe nur dann mit hinreichender Genauigkeit, falls zwischen der tatsächlich erreichten Ist-Position und dem Sollwert der Position die Abweichung im halben Verfahrbereich einer zugeordneten Feinpositioniervorrichtung liegt. An alternative coarse positioning device only fulfils the positioning task with sufficient accuracy if the deviation between the actual position actually reached and the target value of the position is within half the travel range of an associated fine positioning device.
Als Feinpositioniervorrichtung wird eine Positioniervorrichtung verstanden, wenn die Restunsicherheit der Anfahr- und/oder Wiederholgenauigkeit vom Sollwert weniger als 500 ppb, bevorzugt weniger als 100 ppb, im Idealfall 1 ppb bezogen auf den gesamten Verfahrweg oder Rotationsbereich nicht überschreitet. A positioning device is understood to be a fine positioning device if the residual uncertainty of the approach and/or repeat accuracy of the target value does not exceed less than 500 ppb, preferably less than 100 ppb, ideally 1 ppb based on the entire travel path or rotation range.
Vorzugsweise wird eine Feinpositioniervorrichtung einen absoluten Positionierfehler kleiner 5 Mikrometer, bevorzugt kleiner 1 Mikrometer, besonders bevorzugt kleiner 100 nm, ganz besonders bevorzugt kleiner 10 nm, im Optimalfall kleiner 5 nm, im Idealfall kleiner 1 nm haben. Preferably, a fine positioning device will have an absolute positioning error of less than 5 micrometers, preferably less than 1 micrometer, particularly preferably less than 100 nm, most preferably less than 10 nm, optimally less than 5 nm, ideally less than 1 nm.
Bevorzugt ist mindestens eine Positioniervorrichtung mit hoher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit vorgesehen. Für die Qualität der Ausrichtung des Substrats zum anderen Substrat kann ein Konzept der gegenseitigen Fehlerkorrekturen verwendet werden. So kann ein bekannter Versatz (Verdrehung und/oder Verschiebung) eines Substrats und dazu korrespondierend der Positioniervorrichtung mit der Justierung und Korrektur der Position des anderen Substrats mit Korrekturwerten bzw. Korrekturvektoren die Ausrichtungsgenauigkeit erhöht werden. Dabei ist es eine Frage der Größe und Art der Verdrehung und/oder Verschiebung, wie die Steuerung bzw. Regelung Grob- und Feinpositionierung oder nur Grob- oder nur Feinpositionierung zur Fehlerkorrektur einsetzt. Preferably, at least one positioning device with high accuracy and reproducibility is provided. A concept of mutual error corrections can be used for the quality of the alignment of the substrate to the other substrate. For example, a known offset (twisting and/or shifting) of a substrate and the corresponding positioning device can be increased by adjusting and correcting the position of the other substrate with correction values or correction vectors. It is a question of the size and type of twisting and/or shifting how the control or regulation uses coarse and fine positioning or only coarse or only fine positioning to correct the error.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung können die Substrate mit mechanischen Stellelementen und/oder mit Piezoelementen, d. h. Deformationselementen, verformen und/oder temperieren, um den Versatz beim Bonden zu minimieren. Die gezielte Veränderung der Temperatur verändert die Form und Größe zumindest eines der Substrate. Die gezielte Veränderung der Form des Substrathalters verändert die Form des darauf befestigten Substrats. Im Weiteren werden Positioniervorrichtungen (Grob- oder Fein- oder zusammengesetzte Positioniervorrichtungen) sowie Ausrichtungsmittel als Synonyme betrachtet. Die Ausrichtung des ersten Substrats zum zweiten Substrat kann bevorzugt in allen sechs Bewegungsfreiheitsgraden erfolgen: drei Translationen gemäß der Koordinatenrichtungen x, y und z sowie drei Rotationen um die Koordinatenrichtungen. Erfindungsgemäß können die Bewegungen in jeglicher Richtung und Orientierung durchgeführt werden. Roboter zum Substrathandling und zum Substratstapelhandling werden als Bewegungseinrichtungen subsummiert. Die Festhaltungen können in den Bewegungseinrichtungen bauteilintegriert oder funktionsintegriert sein. In a preferred embodiment of the device, the substrates can be deformed and/or tempered using mechanical adjusting elements and/or piezo elements, ie deformation elements, in order to minimize the offset during bonding. The targeted change in temperature changes the shape and size of at least one of the substrates. The targeted change in the shape of the substrate holder changes the shape of the substrate attached to it. In the following, positioning devices (coarse or fine or composite positioning devices) and alignment means are considered synonyms. The alignment of the first substrate to the second substrate can preferably take place in all six degrees of freedom of movement: three translations according to the coordinate directions x, y and z and three rotations around the coordinate directions. According to the invention, the movements can be carried out in any direction and orientation. Robots for substrate handling and for substrate stack handling are subsumed as movement devices. The holding devices can be component-integrated or functionally integrated in the movement devices.
Weiterhin beinhaltet due Vorrichtung zum Boden vorzugsweise Regelungssysteme und/oder Auswertungssysteme, insbesondere Rechner, um die beschriebenen Schritte, insbesondere Bewegungsabläufe, das Prägen und die Trennung auszuführen, Korrekturen durchzuführen, Betriebszustände der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu analysieren und zu speichern. Furthermore, the device for the ground preferably contains control systems and/or evaluation systems, in particular computers, in order to carry out the described steps, in particular movement sequences, embossing and separation, to carry out corrections, to analyze and store operating states of the device according to the invention.
Insbesondere ist es vorgesehen, dass zur räumlichen Auflösung eine Anordnung aus einer Mehrzahl an Sensorelementen verwendet wird, vorzugsweise mehr als 10 Sensorelemente, besonders bevorzugt mehr als 30 Sensorelemente und besonders bevorzugt mehr als 50 Sensorelemente. Dadurch ist es möglich, anhand der jeweils aufgenommenen Abstände zwischen dem Sensorelement und Objekt eine entsprechende, insbesondere lokal aufgelöste, Ausrichtung, zumindest eines Teilbereichs des Objekts oder des gesamten Objekts zu bestimmen. Hierbei sind die Sensorelemente vorzugsweise in einem vorgegebenen Muster, beispielsweise einem Schachbrettmuster oder auf Kreisbahnen, verteilt. In particular, it is provided that an arrangement of a plurality of sensor elements is used for spatial resolution, preferably more than 10 sensor elements, particularly preferably more than 30 sensor elements and particularly preferably more than 50 sensor elements. This makes it possible to determine a corresponding, in particular locally resolved, orientation of at least a partial area of the object or of the entire object based on the distances recorded between the sensor element and the object. The sensor elements are preferably distributed in a predetermined pattern, for example a checkerboard pattern or on circular paths.
Besonderes bevorzugt ist es vorgesehen, dass durch die erhöhte Anzahl von Sensorelementen eine höhere Ortsauflösung erzielt werden kann. Dabei sind die Sensorelemente bevorzugt in einer zweidimensionalen Anordnung angeordnet. Bevorzugt sind die Sensorelemente entlang von gedachten Kreisbahnen angeordnet, insbesondere wenn ein Bonden von einem Zentrum der Substrate ausgeht. Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, wenn eine Sensorflächenelemente, bevorzugt in radialer Richtung, konstant ist. Dadurch lässt sich eine homogene Ortsauflösung gewährleisten. Besonders bevorzugt sind die benachbarten Sensorelemente zumindest entlang einer Richtung äquidistant zueinander angeordnet. Vorzugweise ist ein gemittelter Abstand zwischen benachbarten Sensorelementen kleiner als 5 cm, bevorzugt kleiner als 2,5 cm und besonders bevorzugt kleiner als 1 ,5 cm. Hierbei wird über alle Abstände von benachbarten Sensorelementen gemittelt. Insbesondere ist es vorgesehen, dass das Sensorelement zur Signalaufnahme ausgelegt ist und das aufgenommene Signal an eine Auswerteeinrichtung gibt. Im Falle einer Faserop- til, können mehrere Faserende nebeneinander angeordnet werden und die Faserelemente laufen einzeln oder gebündelt zu einer gemeinsamen Auswerteeinrichtung, die be- abstandet ist zu den Faserenden, die zur Signalaufnahme ausgerichtet sind. It is particularly preferred that a higher spatial resolution can be achieved by the increased number of sensor elements. The sensor elements are preferably arranged in a two-dimensional arrangement. The sensor elements are preferably arranged along imaginary circular paths, in particular when bonding starts from a center of the substrates. It is particularly preferred that a sensor surface element is constant, preferably in the radial direction. This ensures a homogeneous spatial resolution. It is particularly preferred that the adjacent sensor elements are arranged equidistant from one another at least along one direction. An average distance between adjacent sensor elements is preferably less than 5 cm, preferably less than 2.5 cm and particularly preferably less than 1.5 cm. In this case, an average is taken over all distances between adjacent sensor elements. In particular, it is provided that the sensor element is designed to receive signals. and sends the recorded signal to an evaluation device. In the case of a fiber optic, several fiber ends can be arranged next to each other and the fiber elements run individually or in a bundle to a common evaluation device that is spaced from the fiber ends that are aligned for signal recording.
Besonders bevorzugt ist es, wenn das Objekt das erste Substrat oder das zweite Substrat ist. Gerade die Zustandsbestimmung des zweiten Substrats während des Bondens erweist sich dahingehend als vorteilhaft, weil die Messung es gestattet, ein Voranschreiten der Bondwelle und eine Deformation des zweiten Substrats beim Bonden zu erfassen. Dies erlaubt beispielsweise die Anpassung des Bondens in Echtzeit. Das erste Substrat wird bevorzugt vor dem Bonden untersucht, um dessen korrekte Ausrichtung vor dem Bonden zu prüfen. It is particularly preferred if the object is the first substrate or the second substrate. The determination of the state of the second substrate during bonding is particularly advantageous because the measurement allows the progression of the bonding wave and the deformation of the second substrate during bonding to be recorded. This allows, for example, the bonding to be adjusted in real time. The first substrate is preferably examined before bonding in order to check its correct alignment before bonding.
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass zur zeitlichen Auflösung mehrere Zustandsbestimmungen zur Bestimmung einer über die Zeit erfassten Zustandsänderung, insbesondere zur Erfassung einer Bondwellenentwicklung des zweiten Substrats, während des Bondens gemessen werden. Dadurch ist es beispielsweise möglich ein Bondwelle, insbesondere in Hinblick auf ihre zeitliche Entwicklung zu erfassen, beispielsweise eine Bondgeschwindigkeit zu ermitteln. Hierzu wird insbesondere eine Verschiebung der Rückseite des zweiten Substrats beim Bonden vermessen und bestimmt. Dazu werden bevorzugt mehr als zehn Sensoren, besonders bevorzugt mehr als 30 Sensoren, ganz besonders bevorzugt mehr als 50 Sensoren verwendet, welche insbesondere äquidistant auf dem Substrathalter integriert sind. Insbesondere ist es daher vorgesehen, dass zur räumlichen Auflösung eine Anordnung aus einer Mehrzahl an Sensorelementen verwendet wird, vorzugsweise mehr als 10 Sensorelemente, besonders bevorzugt mehr als 30 Sensorelemente und besonders bevorzugt mehr als 50 Sensorelemente. Diese Anordnung deckt vorzugsweise einen zweidimensionalen Abschnitt ab. Dabei wird bevorzugt zumindest ein faseroptischer Abstandssensor für die Vermessung der Bondwelle verwendet, wobei der faseroptische Abstandssensor statisch bestimmt befestigt wird und wobei die Justierung des faseroptischen Abstandssensors ohne Verdrehung der Faser und/oder des faseroptischen an Abstandssensors erfolgt. It is preferably provided that, for the temporal resolution, several state determinations are measured to determine a state change recorded over time, in particular to record a bond wave development of the second substrate, during bonding. This makes it possible, for example, to record a bond wave, in particular with regard to its temporal development, for example to determine a bond speed. For this purpose, in particular a displacement of the rear side of the second substrate during bonding is measured and determined. For this purpose, preferably more than ten sensors, particularly preferably more than 30 sensors, very particularly preferably more than 50 sensors are used, which are in particular integrated equidistantly on the substrate holder. In particular, it is therefore provided that an arrangement of a plurality of sensor elements is used for spatial resolution, preferably more than 10 sensor elements, particularly preferably more than 30 sensor elements and particularly preferably more than 50 sensor elements. This arrangement preferably covers a two-dimensional section. Preferably, at least one fiber optic distance sensor is used for measuring the bond wave, wherein the fiber optic distance sensor is fixed in a statically determined manner and wherein the adjustment of the fiber optic distance sensor takes place without twisting the fiber and/or the fiber optic distance sensor.
Insbesondere kann aus einer Vielzahl an Messwerten von über der Substratoberfläche verteilten Sensoren der räumliche und der örtliche Verlauf einer Bondwelle erfasst bzw. bestimmt werden, sodass die Beeinflussung des Verlaufs der Bondwelle in einer geschlossenen Regelung ermöglicht wird. Dazu werden die erfassten Positionsdaten der Bondwelle sowie die Anisotropien und/oder Anomalien, insbesondere Verzerrungen oder Verformungen insbesondere mit einem rechnergestützten Modell des idealen Bondwellenverlaufs verglichen und mittels insbesondere Regelung der einzelnen Vakuumzonen (Zeitpunkt und Maß der Druckänderung, insbesondere das Loslassen einer einzelnen Zone) der beobachtete Fehler beim Bonden, insbesondere beim Fusionsbonden zeitnah, insbesondere in Echtzeit korrigiert. In particular, the spatial and local course of a bond wave can be recorded or calculated from a large number of measured values from sensors distributed over the substrate surface. be determined so that the course of the bonding wave can be influenced in a closed-loop control system. For this purpose, the recorded position data of the bonding wave as well as the anisotropies and/or anomalies, in particular distortions or deformations, are compared in particular with a computer-aided model of the ideal bonding wave course and the observed error during bonding, in particular during fusion bonding, is corrected promptly, in particular in real time, by controlling the individual vacuum zones (time and extent of the pressure change, in particular the release of an individual zone).
Dabei erfolgen die Strahlungseinkopplung und Auswertung außerhalb des Substrathalters in einer bevorzugt separaten Auswerteeinheit. Im Substrathalter, bevorzugt im oberen Substrathalter selbst ist das Ende des Lichtleiters so montiert, dass sich die Substratrückseite während des Bondverfahrens im Arbeitsbereich der Sensoren befindet. The radiation coupling and evaluation take place outside the substrate holder in a preferably separate evaluation unit. The end of the light guide is mounted in the substrate holder, preferably in the upper substrate holder itself, so that the back of the substrate is in the working area of the sensors during the bonding process.
In einem beispielhaften Verfahren kann der zeitliche und örtliche Verlauf einer Bondwelle beim Fusionsbonden bestimmt werden. Dabei wird der Abstand der Rückseite des oberen Substrats zum oberen Substrathalter in der Zeit ermittelt, gespeichert, visualisiert und/oder zur Korrektur der Ausrichtungsfehler in Form von Korrekturfaktoren berücksichtigt. Dabei werden in Funktion der Zeit insbesondere mit über 50 Sensoren synchronisiert die Abstände und/oder Abstandsänderungen gemessen. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Vorrichtung können 52 faseroptische Abstandssensoren über den Substrathalter verteilt werden, um eine engmaschige Überwachung der Bondwelle zu ermöglichen. In an exemplary method, the temporal and spatial progression of a bonding wave during fusion bonding can be determined. The distance between the back of the upper substrate and the upper substrate holder is determined over time, stored, visualized and/or taken into account in the form of correction factors to correct the alignment errors. The distances and/or distance changes are measured as a function of time, in particular synchronized with over 50 sensors. In a particularly preferred embodiment of the device, 52 fiber optic distance sensors can be distributed over the substrate holder to enable close monitoring of the bonding wave.
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass eine Ausrichtung, beispielsweise eine Position und/oder eine Orientierung, des zweiten Substrats bei und/oder nach der Aufnahme in eine Substrathaltung zur Zustandsbestimmung ermittelt wird. Beispielsweise ist es vorgesehen, dass die Zustandsbestimmung zur Minimierung des einzustellenden Abstandes zwischen dem ersten Substrat und dem zweiten Substrat vor dem Bonden genutzt wird. Ein beispielhaftes Verfahren sieht die Vermessung der lokalen Abweichungen und Streuungen des vertikalen Abstandes bei der Ausrichtung eines unteren Substrats und eines oberen Substrats zueinander vor dem Bonden, insbesondere Fusionsbonden, vor. Der vertikale Abstand bei der Ausrichtung wird auch als Bondgap bezeichnet und dient dazu, dass die Substrate möglichst mit minimalem Abstand, ohne einander zu berühren zueinander ausgerichtet werden können. Die lokalen Variationen des vertikalen Abstandes können durch die Fertigungstoleranzen des Substrathalters, insbesondere oberen Substrathalters bedingt entstehen. Aus Messreihen von unterschiedlichen Substraten auf denselben Substrathaltern mit den faseroptischen Abstandssensoren können auf lokale Unebenheiten und/oder Formabweichungen der Substrathalter geschlossen werden, sodass eine Korrektur der jeweiligen Substrathalter ermöglicht wird. Preferably, it is provided that an alignment, for example a position and/or an orientation, of the second substrate is determined during and/or after insertion into a substrate holder for determining the state. For example, it is provided that the state determination is used to minimize the distance to be set between the first substrate and the second substrate before bonding. An exemplary method provides for the measurement of the local deviations and scattering of the vertical distance when aligning a lower substrate and an upper substrate to one another before bonding, in particular fusion bonding. The vertical distance during alignment is also referred to as the bond gap and serves to ensure that the substrates can be aligned with one another with as little distance as possible, without touching one another. The local variations in the vertical distance can arise due to the manufacturing tolerances of the substrate holder, especially the upper substrate holder. From series of measurements of different substrates on the same substrate holders with the fiber optic distance sensors, conclusions can be drawn about local unevenness and/or shape deviations of the substrate holder, so that a correction of the respective substrate holder is possible.
Bevorzugt ist es vorgesehen, dass abhängig von der Zustandsbestimmung das Bonden beeinflusst wird, insbesondere eine Bondwellengeschwindigkeit gesteuert oder geregelt wird. In einem bevorzugten Verfahren kann die Steuerung oder bevorzugt die Regelung der Bondwellenform ermöglichen. Die Abstandsmesswerte der faseroptischen Abstandssensoren beim Bonden des oberen Substrats zum unteren Substrat werden mit der Ansteuerung von einzeln schaltbaren Vakuumzonen am insbesondere oberen Substrathalter so korreliert, dass die Bondwelle insbesondere möglichst in einer Ebene möglichst verzerrungsfrei durchlaufen kann und wobei die substratbedingten Asymmetrien und/oder Anisotropie ausgeglichen werden können, um ein optimales, möglichst verzerrungsfreies Bondergebnis zu erzielen. Die Vermessung des Bondes als Overlay-Messung am fertigen Substratstapel kann als weitere Korrektur in den Bondvorgang berücksichtigt werden. Als weiterer Vorteil der Anwendung der faseroptischen Abstandssensoren gilt, dass durch die präzise Einstellmöglichkeit des Arbeitsabstandes mit der erfindungsgemäßen Justierung mittels Feinstellelemente wie spielfreien Mikrometerschrauben, welche die Lichtleiterfaser insbesondere zwangsfrei positionieren können, können Sensoren höherer Genauigkeit, jedoch mit kleinerem Messbereich, verwendet werden. Dadurch werden Fehler beim Bonden reduziert, denn kleinere Wege der Vorrichtung fügen kleinere Fehler in der Ausrichtung zu. It is preferably provided that the bonding is influenced depending on the state determination, in particular a bond wave speed is controlled or regulated. In a preferred method, the control or preferably the regulation of the bond wave shape can be made possible. The distance measurement values of the fiber optic distance sensors when bonding the upper substrate to the lower substrate are correlated with the control of individually switchable vacuum zones on the upper substrate holder in particular in such a way that the bond wave can pass through in one plane as distortion-free as possible and the substrate-related asymmetries and/or anisotropy can be compensated in order to achieve an optimal bonding result that is as distortion-free as possible. The measurement of the bond as an overlay measurement on the finished substrate stack can be taken into account as a further correction in the bonding process. Another advantage of using fiber optic distance sensors is that the precise setting of the working distance with the adjustment according to the invention using fine adjustment elements such as play-free micrometer screws, which can position the optical fiber in particular without constraint, means that sensors with higher accuracy can be used, but with a smaller measuring range. This reduces errors during bonding, because smaller device paths cause smaller errors in alignment.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass das Objekt ein Bauteil einer Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens ist, beispielsweise ein Halteelement und/oder ein Deformationselement der Vorrichtung und/oder ein Beladestift. According to a preferred embodiment, it is provided that the object is a component of a device for carrying out the method, for example a holding element and/or a deformation element of the device and/or a loading pin.
In einem beispielhaften Verfahren wird eine Lage, insbesondere eine Parallelität, des oberen Substrathalter zum unteren Substrathalter bestimmt. Es hat sich überraschend herausgestellt, dass anstelle der Einstellung der Ebenheit anhand der Messergebnisse aus drei insbesondere 120 Grad versetzten Staudrucksensoren oder optischen Sensoren schlechtere lokale Verzerrungen beim Bonden erzielen lässt, als eine Einstellung der Parallelität der gesamten Substrathalteroberflächen zueinander in einem eigenständigen Optimierungsverfahren mit dem Ziel, aus den lokalen Abstandswerten eine möglichst global gleichmäßig parallele Ausrichtung des oberen Substrathalters zum unteren Substrathalter zu erreichen. Zur tatsächlichen Einstellung können insbesondere Feinverstellelemente wie Mikrometerschrauben, insbesondere Feingewindeschrauben die Substrathalteroberflächen zueinander lokal ändern. Mit anderen Worten wird ein globales Optimum der Parallelität über die Gesamtfläche des Substrathalters durch die Vielzahl der lokal gemessenen Abstände zwischen den Substrathaltern errechnet und eingestellt. Mit der Verbesserung der Parallelität der Substrathalteroberflächen zueinander werden die Bondergebnisse zwischen einzelnen Bondmodulen besser, sodass die Reproduzierbarkeit und Wi- derholbarkeit von Bondvorgängen zwischen Vorrichtungen mit faseroptischen Abstandssensoren erhöht wird. In an exemplary method, a position, in particular a parallelism, of the upper substrate holder to the lower substrate holder is determined. It has surprisingly been found that instead of adjusting the flatness based on the measurement results from three dynamic pressure sensors or optical sensors, in particular offset by 120 degrees, worse local distortions can be achieved during bonding than adjusting the parallelism of the entire substrate holder surfaces to one another in an independent optimization process with the aim of using the local distance values to create the most global possible to achieve a uniformly parallel alignment of the upper substrate holder to the lower substrate holder. For the actual adjustment, fine adjustment elements such as micrometer screws, in particular fine-thread screws, can locally change the substrate holder surfaces to one another. In other words, a global optimum of parallelism over the entire surface of the substrate holder is calculated and set using the large number of locally measured distances between the substrate holders. By improving the parallelism of the substrate holder surfaces to one another, the bonding results between individual bonding modules improve, so that the reproducibility and repeatability of bonding processes between devices with fiber optic distance sensors is increased.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass die Zustandsbestimmung des zweiten Substrats zur Bestimmung eines Fixier- und/oder Betätigungsmittel, mit dem das erste Substrat und/oder das zweite Substrat gehalten und/oder dem Bonden zugeführt wird, genutzt wird. Preferably, it is provided that the state determination of the second substrate is used to determine a fixing and/or actuating means with which the first substrate and/or the second substrate is held and/or fed to the bonding.
Ein weiteres Verfahren sieht vor, dass eine Einstellung der Beladestifte des unteren Substrathalters beobachtet bzw. ermittelt wird. Schließlich kann mit den faseroptischen Abstandssensoren in einer Abwandlung der dritten Anwendung die Parallelität des geladenen unteren Substrats zum oberen Substrathalter gemessen und entsprechend eingestellt werden. Another method provides for the setting of the loading pins of the lower substrate holder to be observed or determined. Finally, in a modification of the third application, the fiber optic distance sensors can be used to measure the parallelism of the loaded lower substrate to the upper substrate holder and adjust it accordingly.
Ein weiteres beispielhaftes Verfahren sieht es vor, dass die Form des oberen bzw. zweiten Substrats während der Beladung des oberen Substrathalters beobachtet bzw. bestimmt wird. Aus der Form des oberen Substrats bei der Beladung können Rückschlüsse aufs Bondverhalten, wie beispielweise eine erwartete Durchbiegung oder Durchhängung des oberen Substrats abgeleitet und beim Bonden berücksichtigt werden, insbesondere wieweit bei dem oberen Substrat ein Abstand vor dem Bonden eingestellt werden muss, damit das obere Substrat und das untere Substrat einander bei der Ausrichtung nicht unerwünscht berühren jedoch ein geringer Arbeitsabstand erreichbar wird. Another exemplary method provides that the shape of the upper or second substrate is observed or determined during loading of the upper substrate holder. From the shape of the upper substrate during loading, conclusions can be drawn about the bonding behavior, such as an expected deflection or sagging of the upper substrate, and taken into account during bonding, in particular how far a distance must be set for the upper substrate before bonding so that the upper substrate and the lower substrate do not touch each other undesirably during alignment but a small working distance can be achieved.
Ein weiteres beispielhaftes Verfahren sieht vor, dass das untere und/oder das obere Substrat, d. h. das erste und/oder das zweite Substrat, bei der Befestigung auf dem jeweiligen Substrathalter beobachtet und erfasst wird, insbesondere derart, dass Verformungen des jeweiligen Substrats mit Anlegen des Vakuums zeitlich und örtlich korreliert erfasst werden können. So können insbesondere die Ansteuerungen für die Vakuumzonen sowohl in der Schaltungsreihenfolge als auch mit dem verwendeten Vakuumniveau eingestellt werden, um die Substrate möglichst verzerrungsfrei bonden zu können. Dazu ist ein besonders wichtiger Aspekt, dass die Substrate zielgerichtet zum Bonden vor dem Bonden mit der Befestigung auf dem Substrathalter verformt werden können, um bekannte Verzerrungen des jeweiligen Substrats kompensieren und/oder vermindern können. Mit anderen Worten wird nicht zwangsmäßig die ebene Planparallelität des oberen Substrats zum unteren Substrat als beste Ausgangslage für ein erfolgreiches und optimal ausgerichtetes Fusionsbond betrachtet, sondern vermessene und entsprechend zielgerichtet verformte Substrate werden mittels Fusionsbond so miteinander gebondet, dass der entstandene Substratstapel möglichst geringe Ausrichtungsfehler aufweist. Another exemplary method provides that the lower and/or the upper substrate, ie the first and/or the second substrate, is observed and recorded during attachment to the respective substrate holder, in particular such that deformations of the respective substrate can be recorded in a temporally and spatially correlated manner when the vacuum is applied. In particular, the controls for the vacuum zones can be the circuit sequence as well as the vacuum level used in order to be able to bond the substrates with as little distortion as possible. A particularly important aspect is that the substrates can be deformed in a targeted manner for bonding before bonding with the attachment to the substrate holder in order to compensate for and/or reduce known distortions of the respective substrate. In other words, the plane parallelism of the upper substrate to the lower substrate is not necessarily considered to be the best starting point for a successful and optimally aligned fusion bond, but measured and appropriately deformed substrates are bonded to one another using fusion bonding in such a way that the resulting substrate stack has as few alignment errors as possible.
Ein weiteres beispielhaftes Verfahren sieht es vor, dass ein adaptives Laden der Substrate ermöglichen wird, indem die Messwerte der faseroptischen Abstandssensoren im oberen Substrathalter zur aktiven Kontrolle von einzeln schaltbaren, insbesondere voneinander isoliert betriebenen Vakuumsegmenten des oberen und/oder des unteren Substrathalters verwendet werden, sodass die Reihenfolge und die Kraft der Ansaugung möglichst verzerrungsfreie Substrate ergeben. In einer anderen Ausführungsform können die Substrate zielgerichtet verformt werden. Dies kann der Fachmann aus der hier beschriebenen Anwendung eigenständig ableiten. So wird die natürliche Streuung der Substrateigenschaften mit Vermessung des Substrates bei der Beladung und Befestigung am Substrathalter gleich kompensiert. Another exemplary method provides that adaptive loading of the substrates is enabled by using the measured values of the fiber optic distance sensors in the upper substrate holder to actively control individually switchable, in particular isolated vacuum segments of the upper and/or lower substrate holder, so that the sequence and force of the suction result in substrates that are as distortion-free as possible. In another embodiment, the substrates can be deformed in a targeted manner. The person skilled in the art can deduce this independently from the application described here. In this way, the natural scattering of the substrate properties is immediately compensated for by measuring the substrate during loading and fastening to the substrate holder.
Weiterhin können alle Anwendungen insbesondere mit Rechnerunterstützung automatisch visualisiert werden, damit Verfahrenstechniker oder Ingenieure schneller eventuelle Fehlerquellen entdecken und eliminieren können. Furthermore, all applications can be automatically visualized, especially with computer support, so that process engineers or technicians can more quickly discover and eliminate possible sources of error.
Ein weiterer Aspekt der vorliegende Erfindung ist eine Vorrichtung zum Bonden eines ersten Substrats mit einem zweiten Substrat, insbesondere mittels eines Verfahrens gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Substrat einen Primärabschnitt und das zweite Substrat einen Sekundärabschnitt aufweist, wobei die Vorrichtung dazu konfiguriert ist, dass beim Bonden des ersten Substrats mit dem zweiten Substrat eine entlang einer Bondrichtung fortschreitende Bondwelle zwischen A further aspect of the present invention is a device for bonding a first substrate to a second substrate, in particular by means of a method according to one of the preceding claims, wherein the first substrate has a primary section and the second substrate has a secondary section, wherein the device is configured such that when bonding the first substrate to the second substrate, a bonding wave advancing along a bonding direction between
-- einem ersten Teilabschnitt, in dem das erste Substrat und das zweite Substrat verbunden sind, und -- a first section in which the first substrate and the second substrate are connected, and
-- einem zweiten Teilabschnitt, in dem das erste Substrat und das zweite Substrat noch zu verbinden sind, gebildet wird, wobei ein Teilbereich des zweiten Substrats im zweiten Teilabschnitt gegenüber einem Teilbereich des zweiten Substrats im ersten Teilabschnitt in einer senkrecht zu einer Haupterstreckungsebene verlaufenden Richtung höhenversetzt ist, wobei die Vorrichtung ein Sensorelement umfasst, wobei die Vorrichtung ein Sensorelement umfasst, wobei die Vorrichtung zur Zustandsbestimmung eines Objektes derart gestaltet ist, dass vor und/oder während des Bondens zur Zustandsbestimmung eines Objektes, Licht auf eine Oberfläche des Objektes gerichtet und reflektiert wird und das von der Oberfläche reflektierte Licht mittels eines Sensorelements zur Abstandsbestimmung zwischen dem Sensorelement und der Oberfläche vermessen wird und ein Abstand zwischen dem Sensorelement und der Oberfläche bestimmt wird. Alle für das Verfahren beschriebenen Vorteile und Eigenschaften lassen sich analog auf die Vorrichtung übertragen. -- a second section in which the first substrate and the second substrate are still to be connected, is formed, wherein a partial region of the second substrate in the second partial section is offset in height relative to a partial region of the second substrate in the first partial section in a direction running perpendicular to a main extension plane, wherein the device comprises a sensor element, wherein the device comprises a sensor element, wherein the device for determining the state of an object is designed such that before and/or during bonding to determine the state of an object, light is directed onto a surface of the object and reflected, and the light reflected from the surface is measured by means of a sensor element to determine the distance between the sensor element and the surface, and a distance between the sensor element and the surface is determined. All of the advantages and properties described for the method can be transferred analogously to the device.
In einer ersten Ausführungsform der Messvorrichtung werden die Lichtleiter des Sensorkopfes eingebaut. Der Sensorkopf beinhaltet sowohl die Lichtleitfaser, welche die Strahlung der Strahlungsquelle zum Substrat leiten als auch die Lichtleitfaser zur Auskopplung des Messsignals. Die Lichtleitfaser werden voneinander unabhängig justierbar im Sensorkopf eingebaut, wobei die Lichtleitfasern nicht verdreht werden, sodass der jeweilige Arbeitsabstand und der Messbereich präzise eingestellt werden können. Dazu können insbesondere federnde oder gefederte spielfreie Justierelemente wie vorgespannte Mikrometerschrauben, insbesondere spielfrei vorgespannte Differenzschraubengetriebe verwendet werden. In a first embodiment of the measuring device, the optical fibers of the sensor head are installed. The sensor head contains both the optical fiber that guides the radiation from the radiation source to the substrate and the optical fiber for coupling out the measurement signal. The optical fibers are installed in the sensor head so that they can be adjusted independently of one another, whereby the optical fibers are not twisted, so that the respective working distance and the measuring range can be set precisely. In particular, spring-loaded or spring-loaded backlash-free adjustment elements such as pre-tensioned micrometer screws, in particular backlash-free pre-tensioned differential screw gears, can be used for this purpose.
Da faseroptische Abstandssensoren geschliffene Faserenden haben und die Herstellungsgenauigkeiten der Lichtleitfaser und somit der Sensoren endlich ist, wird insbesondere die Messunsicherheit, welcher aus der Undefinierten Winkelstellung einer Lichtleitfaser resultiert, mit der vorliegenden Erfindung zumindest vermindert, bevorzugt eliminiert. Denn die Lichtleitfaser werden in einer bestimmten Winkellage, zumindest ohne sie zu verdrehen in den Sensorkopf eingebaut. Somit können Abstände und Abstandsänderungen mit geringerer Unsicherheit erfasst werden, sodass der Verlauf der Bondwelle präzise erfasst und entsprechend kontrolliert werden kann. Dafür können die Sensoren insbesondere mit spielfreien Klick- oder spielfreien Bajonettverbindungen im Substrathalter integriert werden. Since fiber optic distance sensors have ground fiber ends and the manufacturing accuracy of the optical fiber and thus of the sensors is finite, the measurement uncertainty resulting from the undefined angular position of an optical fiber is at least reduced, preferably eliminated, with the present invention. This is because the optical fiber is installed in the sensor head at a specific angular position, at least without twisting it. This means that distances and distance changes can be recorded with less uncertainty, so that the course of the bond wave can be precisely recorded and controlled accordingly. For this purpose, the sensors can be integrated in the substrate holder in particular with play-free click or play-free bayonet connections.
Insbesondere ist es vorgesehen, dass das Sensorelement ein Faserende und ein Signalübertragungsabschnitt aufweist, wobei das Sensorelement derart gestaltet ist, dass das Faserende zur Signalaufnahme und der Signalübertragungsabschnitt zur Signalübertragung zu einer beabstandeten Auswerteeinrichtung vorgesehen sind. In particular, it is provided that the sensor element has a fiber end and a signal transmission section, wherein the sensor element is designed such that the Fiber end for signal reception and the signal transmission section for signal transmission to a spaced-apart evaluation device.
Besonders vorteilhaft kann bei der Vorrichtung mit der konstruktiven Trennung der Strahlungsquelle und der Auswerteeinheit von dem Sensorkopf eine Vielzahl von Sensoren im Substrathalter eingebaut werden. Durch die Miniaturisierung insbesondere der Justierung und des gesamten Sensorkopfes kann die Anzahl der verwendeten Sensorköpfe in der Vorrichtung vorteilhaft erhöht werden, um eine engmaschige Beobachtung der Bondwelle sowohl zeitlich als auch räumlich erfolgen kann. Dabei werden die Strahlungsquellen und Auswerteeinheiten bevorzugt fernab des Substrathalters platziert. It is particularly advantageous for the device with the structural separation of the radiation source and the evaluation unit from the sensor head to be able to accommodate a large number of sensors in the substrate holder. By miniaturizing the adjustment and the entire sensor head in particular, the number of sensor heads used in the device can be advantageously increased in order to be able to closely monitor the bond wave both temporally and spatially. The radiation sources and evaluation units are preferably placed far away from the substrate holder.
Die Justierung der im Substrathalter, insbesondere oberen Substrathalter eingebauten faseroptischen Abstandssensoren wird mit einem Kalibrier- und Justierverfahren durchgeführt. Zur Kalibrierung werden folgende Schritte mit insbesondere folgendem Ablauf durchgeführt. The adjustment of the fiber optic distance sensors installed in the substrate holder, in particular the upper substrate holder, is carried out using a calibration and adjustment procedure. The following steps are carried out for calibration, in particular the following procedure.
Vorzugsweise wird das das optische Faserelement zur Kalibrierung ausgerichtet. In einem ersten Verfahrensschritt wird beispielsweise ein oberes Substrat auf dem oberen Substrathalter geladen und befestigt. In einem zweiten Verfahrensschritt werden die faseroptischen Abstandssensoren insbesondere iterativ so eingestellt, dass der jeweilige Sensor zumindest einen minimalen Abstand zur Rückseite des zweiten Substrats aufweist. In einem dritten Verfahrensschritt werden die einzelnen Sensoren ausgelesen und die Intensitätssignale und/oder die Abstände gespeichert. In einem vierten Verfahrensschritt werden die gespeicherten Intensitätssignale als Null-Abstand gesetzt. In einem fünften Verfahrensschritt wird das obere Substrat vom oberen Substrathalter gelöst und aus dem Bondraum des Bonders entladen. In einem sechsten Verfahrensschritt wird ein unteres Substrat auf dem unteren Substrathalter geladen und befestigt. In einem siebten Verfahrensschritt werden die Abstände von den faseroptischen Abstandssensoren im oberen Substrathalter - und somit vom oberen Substrathalter - zur Bondinterface des unteren Substrats auf dem unteren Substrathalter gemessen. In einem achten Verfahrensschritt wird der obere Substrathalter und/oder der untere Substrathalter auf einen anderen Arbeitsabstand verfahren. In einem neunten Verfahrensschritt wird insbesondere zeitgleich zum achten Verfahrensschritt sowohl die Veränderung des Abstandes des oberen Substrathalters und des unteren Substrathalters erfasst als auch der Abstand des oberen Substrathalters zum unteren Substrathalter. In einem zehnten Verfahrensschritt werden die tat- sächlichen Abstände mit dem Soll-Wert der Abstandsänderung der oberen und des unteren Substrathalters verglichen und die Unterschiede jeweils sensorbezogen aufgenommen, um die spezifischen Korrekturwerte der faseroptischen Abstandssensoren sowie die Intensitätskurven aufzunehmen. Im elften Verfahrensschritt werden iterativ die Kalibrierung mit ausgetauschten Substraten als Messreihen aufgenommen, um die Korrekturwerte der faseroptischen Abstandssensoren als Wissensspeicher und/oder Datenbank zu erstellen. Als Intensitätskurven werden die auf den Punkteschaar der Intensitätswerte bei gegebenen Abständen angenäherten Kurven genannt. Insbesondere können die Intensitätskurven mit empirischen mathematischen Formeln angenähert werden, sodass zu einem gegebenen Abstand der Substrathalter in der Bondvorrichtung die erwarteten Intensitäten interpoliert werden können. In Umkehrung werden bei jedem Sensor aus den gemessenen Intensitäten die Abstände ermittelt werden. Preferably, the optical fiber element is aligned for calibration. In a first process step, for example, an upper substrate is loaded and secured on the upper substrate holder. In a second process step, the fiber optic distance sensors are adjusted, in particular iteratively, so that the respective sensor has at least a minimal distance to the back of the second substrate. In a third process step, the individual sensors are read out and the intensity signals and/or the distances are stored. In a fourth process step, the stored intensity signals are set as a zero distance. In a fifth process step, the upper substrate is released from the upper substrate holder and unloaded from the bonding space of the bonder. In a sixth process step, a lower substrate is loaded and secured on the lower substrate holder. In a seventh process step, the distances from the fiber optic distance sensors in the upper substrate holder - and thus from the upper substrate holder - to the bonding interface of the lower substrate on the lower substrate holder are measured. In an eighth process step, the upper substrate holder and/or the lower substrate holder are moved to a different working distance. In a ninth process step, the change in the distance between the upper substrate holder and the lower substrate holder is recorded, as well as the distance between the upper substrate holder and the lower substrate holder, at the same time as the eighth process step. In a tenth process step, the actual actual distances are compared with the target value of the distance change of the upper and lower substrate holders and the differences are recorded for each sensor in order to record the specific correction values of the fiber optic distance sensors as well as the intensity curves. In the eleventh process step, the calibration with exchanged substrates is iteratively recorded as a series of measurements in order to create the correction values of the fiber optic distance sensors as a knowledge store and/or database. The curves approximated to the family of points of the intensity values at given distances are called intensity curves. In particular, the intensity curves can be approximated using empirical mathematical formulas so that the expected intensities can be interpolated for a given distance between the substrate holders in the bonding device. Conversely, the distances are determined for each sensor from the measured intensities.
Der Austausch der Substrate für die Kalibrierung bedeutet, dass eine statistisch relevante Anzahl von Messungen mit unterschiedlichen Substraten durchgeführt werden: Insbesondere die Variationen der Dicke der Substrate, die Variationen der Reflexionsgrade bei einem Material sowie die Variationen der Materialunterschiede oder die Variationen durch die unterschiedliche Positionierung auf den Substrathaltern können somit erfasst werden und als Korrekturwerte für die Messung der Bondwelle und somit zur Beeinflussung der Bondwelle verwendet werden. Somit werden anlagen- und substratspezifische Korrekturwerte ermittelt. Exchanging the substrates for calibration means that a statistically relevant number of measurements are carried out with different substrates: In particular, the variations in the thickness of the substrates, the variations in the reflectance of a material as well as the variations in the material differences or the variations due to the different positioning on the substrate holders can be recorded and used as correction values for measuring the bond wave and thus for influencing the bond wave. In this way, system- and substrate-specific correction values are determined.
Somit werden beim Fusionsbonden im Arbeitsbereich der faseroptischen Abstandssensoren alle möglichen Abstände zwischen dem oberen Substrathalter und unteren Substrathalter räumlich und zeitlich besser erfassbar. This means that during fusion bonding in the working range of the fiber optic distance sensors, all possible distances between the upper substrate holder and the lower substrate holder can be better detected spatially and temporally.
Insbesondere wird abhängig von der Zustandsbestimmung der Bondvorgang beeinflusst, insbesondere eine Bondwellengeschwindigkeit gesteuert wird. Hierzu werden gezielt Deformations- und/oder Fixierelemente angesteuert und Teilbereich des zweiten Substrats fallengelassen oder gehalten. In particular, the bonding process is influenced depending on the state determination, in particular a bonding wave speed is controlled. For this purpose, deformation and/or fixing elements are specifically controlled and part of the second substrate is dropped or held.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass zur Beeinflussung des Bondvorgangs in Abhängigkeit der Zustandsbestimmung auf Erkenntnisse eines Maschinenlernalgorithmus und/oder auf in einer Datenbank gespeicherte Erfahrungswerte zurückgegriffen wird. Zur Ausnutzung der gemessen Zustandsbestimmung, die über eine Vielzahl von Bondvorgängen er- mittelt werden, können die erfassten Zustandsbestimmungen zusammen mit einem Resultat des Bondvorgangs als Testsatz einem neuronalen Netzwerk zur Verfügung gestellt werden, das anhand der Testsätze neue Strategien für die Steuerung des Bondvorgangs bei bestimmten Zustandsbestimmungen entwickelt und bevorzugt im nächsten Bondvorgang bei vergleichbaren Zustandsbestimmungen anwendet. Dadurch lässt sich das Verfahren zur weiteren Optimierung des Bondvorgangs nutzen. Preferably, it is provided that in order to influence the bonding process depending on the state determination, the findings of a machine learning algorithm and/or empirical values stored in a database are used. In order to utilize the measured state determination, which is obtained over a large number of bonding processes, The recorded state determinations can be made available together with a result of the bonding process as a test set to a neural network, which uses the test sets to develop new strategies for controlling the bonding process for certain state determinations and preferably applies them in the next bonding process for comparable state determinations. This allows the method to be used to further optimize the bonding process.
Vorzugsweise ist es vorgesehen, dass das Sensorelement zumindest ein optisch Faserelement aufweist und bevorzugt ein faseroptischer Abstandsensor umfasst. Dabei ist es besonders bevorzugt vorgesehen, dass das zumindest eine optische Faserelement verlagerbar, insbesondere verschwenkbar, in die Vorrichtung integriert ist. It is preferably provided that the sensor element has at least one optical fiber element and preferably comprises a fiber optic distance sensor. It is particularly preferably provided that the at least one optical fiber element is integrated into the device in a displaceable, in particular pivotable, manner.
Die Vorrichtung zum Bonden von Substraten umfasst insbesondere folgende funktionale Komponenten und/oder Module: The device for bonding substrates comprises in particular the following functional components and/or modules:
-Substrataufnahme: Für die Substrataufnahme werden Substrathalter verwendet. Dazu werden insbesondere zumindest ein mit Sensoren und Aktoren versehener Substrathalter verwendet. Als weitere, insbesondere eigenständige Erfindungen werden eine verbesserte Vorrichtung mit einem Substrathalter mit zumindest einem, bevorzugt mit über 30 Sensoren und 30 Aktuatoren zur Beeinflussung der Bondwelle verstanden. In besonders bevorzugten Ausführungsformen der Vorrichtung haben Substrathalter über 50 Sensoren und 50 Aktuatoren. -Substrate holder: Substrate holders are used for the substrate holder. For this purpose, at least one substrate holder provided with sensors and actuators is used. Further, in particular independent inventions are understood to be an improved device with a substrate holder with at least one, preferably with over 30 sensors and 30 actuators for influencing the bonding wave. In particularly preferred embodiments of the device, substrate holders have over 50 sensors and 50 actuators.
Bevorzugt umfasst die Vorrichtung zum Bonden als Sensoren zumindest ein faseroptischer Abstandssensor, bevorzugt die gleiche Anzahl faseroptischen Abstandssensoren wie viele Vakuumzonen unabhängig schaltbar sind. Insbesondere können die faseroptischen Abstandssensoren in den Substrathalter, insbesondere in den oberen Substrathalterjustierbar integriert sein. Preferably, the device for bonding comprises at least one fiber optic distance sensor as sensors, preferably the same number of fiber optic distance sensors as there are vacuum zones that can be switched independently. In particular, the fiber optic distance sensors can be integrated in the substrate holder, in particular in the upper substrate holder, in an adjustable manner.
Dabei weisen die Substrathalter insbesondere einzeln schaltbare, voneinander fluidisch isolierte Zonen, insbesondere Vakuumzonen auf, welche jeweils zu einem faseroptischen Abstandssensor zugeordnet sind, insbesondere ist der faseroptische Abstandssensor in der jeweiligen Vakuumzone integriert, sodass Vermessung der Befestigung eines Substrats und die Vakuumregelung auf kürzester Regelschleife miteinander verbunden sind und wobei die Messung der Verformung des Substrats dort erfolgt, wo die Wirkung der Vakuumzone das Substrat verformt. Die Substrathalter verfügen über Fixierungen. Die Fixierungen dienen dem Festhalten der Substrate. Bei den Fixierungen kann es sich um In particular, the substrate holders have individually switchable zones that are fluidically isolated from one another, in particular vacuum zones, which are each assigned to a fiber-optic distance sensor. In particular, the fiber-optic distance sensor is integrated in the respective vacuum zone, so that the measurement of the fastening of a substrate and the vacuum control are connected to one another in the shortest possible control loop, and the measurement of the deformation of the substrate takes place where the effect of the vacuum zone deforms the substrate. The substrate holders have fixings. The fixings serve to hold the substrates. The fixings can be
1. Mechanische Fixierungen, insbesondere 1. Mechanical fixations, especially
1.1. Klemmen 1.1. Terminals
2. Vakuumfixierungen, insbesondere mit 2. Vacuum fixations, especially with
2.1 . einzeln ansteuerbare Vakuumbahnen 2.1 . individually controllable vacuum tracks
2.2. miteinander verbundenen Vakuumbahnen 2.2. interconnected vacuum tracks
3. Elektrische Fixierungen, insbesondere 3. Electrical fixations, especially
3.1. Elektrostatische Fixierungen 3.1. Electrostatic fixations
4. Magnetische Fixierungen 4. Magnetic fixations
5. Adhäsive Fixierungen, insbesondere 5. Adhesive fixations, especially
6. Gel-Pak Fixierungen 6. Gel-Pak fixations
7. Fixierungen mit adhäsiver, insbesondere ansteuerbarer Oberfläche handeln. 7. Fixations with adhesive, particularly controllable, surfaces.
Die Fixierungen sind insbesondere elektronisch ansteuerbar. Die Vakuumfixierung ist die bevorzugte Fixierungsart. Die Vakuumfixierung umfasst vorzugsweise mehrere Vakuumbahnen, die an der Oberfläche des Substrathalters austreten. Die Vakuumbahnen sind vorzugsweise einzeln ansteuerbar. In einer technisch eher realisierbaren Anwendung können einige Vakuumbahnen zu Vakuumbahnsegmenten vereint werden, die einzeln ansteuerbar, daher evakuiert oder geflutet werden können. Jedes Vakuumsegment ist allerdings unabhängig von den anderen Vakuumsegmenten. Damit erhält man die Möglichkeit des Aufbaus einzeln ansteuerbarer Vakuumsegmente. Die Vakuumsegmente sind vorzugsweise ringförmig konstruiert. Es ist jedoch jegliche Form als Vakuumzone vorstellbar. Dadurch wird eine gezielt durchgeführte Fixierung und/oder Loslösung eines Substrats vom Substrathalter ermöglicht. The fixations can be controlled electronically in particular. Vacuum fixation is the preferred type of fixation. Vacuum fixation preferably comprises several vacuum tracks that emerge on the surface of the substrate holder. The vacuum tracks can preferably be controlled individually. In an application that is more technically feasible, some vacuum tracks can be combined to form vacuum track segments that can be controlled individually and can therefore be evacuated or flooded. However, each vacuum segment is independent of the other vacuum segments. This makes it possible to set up individually controllable vacuum segments. The vacuum segments are preferably designed in a ring shape. However, any shape can be conceivable as a vacuum zone. This enables a substrate to be fixed and/or released from the substrate holder in a targeted manner.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung mit faseroptischen Abstandssensoren kann unter anderem für folgende mögliche Anwendungen, welche insbesondere als eigenständige Erfindungen betrachtet werden, verwendet werden: -Bewegungs- und/oder Ausrichtungsmittel für die Substrate mit den Stellelemente, Aktuatoren für die Krafterzeugung für die Veränderung der Substratkrümmung. The device according to the invention with fiber optic distance sensors can be used, among others, for the following possible applications, which are particularly considered as independent inventions: -Movement and/or alignment means for the substrates with the adjusting elements, actuators for generating force for changing the substrate curvature.
Die Bewegungsmittel für die Aufnahme der Substrate können in einer Ausführungsform der Vorrichtung die Substrate reproduzierbar verformen. In one embodiment of the device, the movement means for receiving the substrates can reproducibly deform the substrates.
-Bewegungs- und/oder Ausrichtungsmittel fürs Substrat, wie Grob- und/oder Feinantriebe, -Movement and/or alignment means for the substrate, such as coarse and/or fine drives,
-Bondinitialisierungsmittel fürs Fusionsbonden, insbesondere Pins, fluidische Druckmittel insbesondere Düsen mit Gasüberdruck, und/oder deren Kombination, -Bond initiation agents for fusion bonding, in particular pins, fluidic pressure media, in particular nozzles with gas overpressure, and/or their combination,
-Bewegungs- und/oder Ausrichtungsmittel werden als in der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorzugsweise als Bewegungseinrichtungen mit Antriebssystemen, Führungssystemen, Festhaltungen sowie Messsystemen, um die optischen Systeme und/oder Substrate zu bewegen, zu positionieren und zueinander auszurichten verstanden. -Movement and/or alignment means are understood in the device according to the invention preferably as movement devices with drive systems, guide systems, holding devices and measuring systems in order to move, position and align the optical systems and/or substrates with each other.
Die Bewegungseinrichtungen können jede Bewegung als Resultat von Einzelbewegungen erzeugen, sodass die Bewegungseinrichtungen bevorzugt schnelle, den Genauigkeitsanforderungen nicht entsprechende Grobpositioniervorrichtungen sowie präzise arbeitende Feinpositioniervorrichtungen enthalten können. The motion devices can generate each movement as a result of individual movements, so that the motion devices can preferably contain fast coarse positioning devices that do not meet the accuracy requirements as well as precisely operating fine positioning devices.
Besondere Vorteile bieten faseroptische Abstandssensoren für die Verwendung als Messmittel in Bondvorrichtungen: die Lichtleitfaser ermöglichen eine kompakte Bauweise, wodurch eine hohe Dichte von Messmittel in Substrathalter integrierbar sind. Eine Nachrüstung von Bondvorrichtungen ist zudem möglich, da die Auswertung und die Strahlungsquelle nicht direkt an den Substraten und/oder Substrathalter platziert werden müssen. Ein weiterer Vorteil ist die große erreichbare Datendichte in Vergleich zu üblichen Messverfahren wie Laser- oder Konfokalsensoren. Fiber optic distance sensors offer particular advantages for use as measuring devices in bonding devices: the optical fiber enables a compact design, which means that a high density of measuring devices can be integrated into substrate holders. Retrofitting bonding devices is also possible, since the evaluation and the radiation source do not have to be placed directly on the substrates and/or substrate holders. Another advantage is the high achievable data density compared to conventional measuring methods such as laser or confocal sensors.
Weiterhin kann eine Vorrichtung gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform Versor- gungs- sowie Hilfs- und/oder Ergänzungssysteme (Druckluft, Vakuum, elektrische Energie, Flüssigkeiten wie Hydraulik, Kühlmittel, Heizmittel, Mittel und/oder Vorrichtungen zur Temperaturstabilisierung, elektromagnetische Abschirmung, lonisierer und/oder Deioni- sierer, elektrostatische Staubfallen) umfassen. Furthermore, according to an advantageous embodiment, a device can comprise supply and auxiliary and/or supplementary systems (compressed air, vacuum, electrical energy, liquids such as hydraulics, coolants, heating means, means and/or devices for temperature stabilization, electromagnetic shielding, ionizers and/or deionizers, electrostatic dust traps).
Weiterhin beinhaltet eine erfindungsgemäße Vorrichtung Gestelle, Verkleidungen, schwingungsunterdrückende oder -dämpfende oder -tilgende aktive oder passive Subsysteme. Als Gestell kann eine, insbesondere aus Naturhartgestein oder Mineralguss oder Kugelgraphitguss oder hydraulisch gebundenem Beton bestehender Teil, welche insbesondere schwingungsgedämpft und/oder schwingungsisoliert und/oder mit Schwingungstilgung aufgestellt ist, verstanden werden. Furthermore, a device according to the invention includes frames, claddings, vibration-suppressing or damping or cancelling active or passive subsystems. A frame can be understood as a part, in particular made of natural hard stone or mineral cast or spheroidal graphite cast or hydraulically bound concrete, which is in particular vibration-damped and/or vibration-insulated and/or installed with vibration damping.
Weiterhin umfasst eine erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens ein Messsystem, bevorzugt mit Messeinheiten für jede Bewegungsachse, welche insbesondere als Weg- Messsysteme und/oder als Winkel-Messsysteme ausgeführt werden können. Weiterhin beinhaltet die Vorrichtung mindestens ein Messsystem, bevorzugt mit Messeinheiten für Strahlungsintensität, insbesondere für die Strahlung für die Aushärtung der Prägemasse. Furthermore, a device according to the invention comprises at least one measuring system, preferably with measuring units for each axis of movement, which can be designed in particular as path measuring systems and/or as angle measuring systems. Furthermore, the device contains at least one measuring system, preferably with measuring units for radiation intensity, in particular for the radiation for curing the embossing compound.
Weiterhin umfasst die Vorrichtung mindestens ein Messsystem für die Beobachtung und/oder Kontrolle der Justierungs- oder Ausrichtungsmarken ersten Substrats und des zweiten Substrats. Furthermore, the device comprises at least one measuring system for observing and/or checking the adjustment or alignment marks of the first substrate and the second substrate.
Weiterhin umfasst die Vorrichtung mindestens ein Mess- und Regelungssystem für Druck, insbesondere Vakuum und/oder Überdruck, welche den Druck auf dem/ in dem Substrat beim Bonden misst, erfasst und regelt. Furthermore, the device comprises at least one measuring and control system for pressure, in particular vacuum and/or overpressure, which measures, detects and controls the pressure on/in the substrate during bonding.
Weiterhin beinhaltet eine erfindungsgemäße Vorrichtung mindestens ein Messsystem für die Beobachtung der Ausrichtung der Substrate zueinander. Diese sind beispielsweise ergänzend zur Bestimmung des Abstandes über rückreflektiertes Licht vorgesehen. Furthermore, a device according to the invention contains at least one measuring system for observing the alignment of the substrates to one another. These are provided, for example, in addition to determining the distance via reflected light.
Es können sowohl taktile, also tastende oder nicht-taktile Meßverfahren verwendet werden. Die Meßnormale, die Einheit der Messung kann als physikalisch-körperliches Objekt, insbesondere als ein Maßstab vorliegen oder im Meßverfahren implizit vorhanden sein, wie die Wellenlänge der verwendeten Strahlung vorliegen. Both tactile, i.e. probing, and non-tactile measuring methods can be used. The measuring standard, the unit of measurement, can be a physical object, in particular a scale, or it can be implicit in the measuring method, such as the wavelength of the radiation used.
Für das Erreichen der Ausrichtungsgenauigkeit vor dem Bonden kann mindestens ein Messsystem ausgewählt und verwendet werden. Messsysteme setzen Messverfahren um. Es können insbesondere At least one measuring system can be selected and used to achieve alignment accuracy before bonding. Measuring systems implement measuring methods. In particular,
• Induktive Verfahren und/oder • Inductive methods and/or
Kapazitive Verfahren und/oder Capacitive methods and/or
Resistive Verfahren und/oder • Vergleichsverfahren, insbesondere optische Bilderkennungsverfahren, Erfassung von Positionsmarken und/oder QR-Codes und/oder Resistive methods and/or • Comparison methods, in particular optical image recognition methods, detection of position marks and/or QR codes and/or
• inkrementelle oder absolute Verfahren (mit insbesondere Glasnormale als Maßstab, oder Interferometer, insbesondere Laserinterferometer, oder mit magnetischer Normale) und/oder • incremental or absolute methods (in particular with glass standards as scale, or interferometers, in particular laser interferometers, or with magnetic standards) and/or
• Laufzeitmessungen (Dopplerverfahren, time of flight-Verfahren) oder andere Zeiterfassungsverfahren und/oder • Runtime measurements (Doppler method, time of flight method) or other time recording methods and/or
• Triangulationsverfahren, insbesondere Lasertriangulation, • Triangulation methods, especially laser triangulation,
• Autofokusverfahren und/oder • Autofocus method and/or
• Intensitätsmessverfahren wie faseroptische Entfernungsmesser verwendet werden. • Intensity measurement techniques such as fiber optic rangefinders can be used.
Beispielsweise können Messwerte insbesondere miteinander kombiniert und/oder zueinander referenziert und/oder korreliert werden, sodass durch eine Messung einer Ausrichtungsmarkierung auf die Position der hierauf bezogenen anderen Ausrichtungsmarkierung geschlossen werden kann. Insbesondere kann aus den Positionswerten des Substrathalters und den erfassten Ausrichtungsmarken die Position des Substrats errechnet und entsprechend korrigiert werden. For example, measured values can be combined with one another and/or referenced and/or correlated with one another, so that a measurement of one alignment mark can be used to determine the position of the other alignment mark related to it. In particular, the position of the substrate can be calculated from the position values of the substrate holder and the detected alignment marks and corrected accordingly.
Für eine Positionsbestimmung, insbesondere 3D-Positionsbestimmung an einem Punkt oder an zwei Punkten oder drei Punkten oder beliebig vielen Punkten können in einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform optische Mustererkennung mittels Kamerasystemen eine ein-eindeutige Referenz der Position und der Höhe verwendet werden. Die Muster werden in einem Echtzeitsystem, insbesondere kontinuierlich während der Ausrichtung der Substrate erfasst. Für die Positionsbestimmung können aufgeführte Messverfahren ebenfalls verwendet werden. For position determination, in particular 3D position determination at one point or at two points or three points or any number of points, in a first embodiment according to the invention, optical pattern recognition using camera systems can be used to provide a unique reference of the position and height. The patterns are recorded in a real-time system, in particular continuously during the alignment of the substrates. The measurement methods listed can also be used for position determination.
Bevorzugt Bewegungseinrichtungen, die nicht zur Feinjustierung verwendet werden, sind insbesondere als Robotersysteme, vorzugsweise mit inkrementellen Weggebern, ausgebildet. Die Genauigkeit dieser Bewegungseinrichtungen für Hilfsbewegungen wird von der Genauigkeit zur Ausrichtung der Substrate entkoppelt, sodass die Hilfsbewegungen mit niedriger Wiederholungsgenauigkeit von kleiner 1 mm, bevorzugt kleiner 500 Mikrometer, besonders bevorzugt kleiner 150 Mikrometer ausgeführt werden. Die Genauigkeit der Bewegungseinrichtungen für die Ausrichtung ist vorzugsweise kleiner 200 nm, bevorzugt kleiner 100 nm, besonders bevorzugt kleiner 50 nm, ganz besonders bevorzugt kleiner 20 nm, im optimalen Fall kleiner 10 nm, im Idealfall kleiner 1 nm. Preferably, movement devices that are not used for fine adjustment are designed in particular as robot systems, preferably with incremental displacement sensors. The accuracy of these movement devices for auxiliary movements is decoupled from the accuracy for aligning the substrates, so that the auxiliary movements are carried out with a low repetition accuracy of less than 1 mm, preferably less than 500 micrometers, particularly preferably less than 150 micrometers. The accuracy of the movement devices for the alignment is preferably less than 200 nm, preferably less than 100 nm, particularly preferably less than 50 nm, most preferably less than 20 nm, optimally less than 10 nm, ideally less than 1 nm.
In besonders bevorzugten Ausführungsformen der Vorrichtung beträgt der Fehler der Ausrichtungsgenauigkeit der Vorrichtung 20% des zulässigen höchsten Ausrichtungsfehler, besonders bevorzugt 10% des zulässigen höchsten Ausrichtungsfehler, im optimalen Fall 1%. In particularly preferred embodiments of the device, the error of the alignment accuracy of the device is 20% of the permissible maximum alignment error, particularly preferably 10% of the permissible maximum alignment error, in the optimal case 1%.
Verfahren werden vorzugsweise als Rezepte erstellt und in maschinenlesbarer Form ausgeführt. Rezepte sind optimierte Wertesammlungen von Parametern, die im funktionalen oder verfahrenstechnischen Zusammenhang stehen. Die Nutzung von Rezepten erlaubt es, eine Reproduzierbarkeit von Produktionsabläufen zu gewährleisten. Processes are preferably created as recipes and executed in machine-readable form. Recipes are optimized collections of values of parameters that are functionally or procedurally related. The use of recipes makes it possible to ensure the reproducibility of production processes.
In einer Ausführungsform des Bondverfahrens wird ein unteres Substrat mit einem oberen Substrat fusionsgebondet, mit folgendem Ablauf, insbesondere mit folgenden Schritten: In one embodiment of the bonding method, a lower substrate is fusion bonded to an upper substrate, with the following sequence, in particular with the following steps:
In einem ersten Verfahrensschritt wird das untere auf einem unteren Substrathalter gelegt und dabei mit zumindest einem faseroptischen Abstandssensor, welche im oberen Substrathalter eingebaut ist, vermessen. In a first process step, the lower substrate is placed on a lower substrate holder and measured with at least one fiber optic distance sensor, which is installed in the upper substrate holder.
In einem zweiten Verfahrensschritt wird das untere Substrat auf dem unteren Substrathalter insbesondere mit Vakuumzonen befestigt und die Befestigung mit zumindest einem faseroptischen Abstandssensor als zusätzliche Regelung vermessen, sodass die lokalen Verformungen des unteren Substrats bevorzugt minimiert werden. In a second method step, the lower substrate is fixed to the lower substrate holder, in particular with vacuum zones, and the fixing is measured with at least one fiber optic distance sensor as an additional control, so that the local deformations of the lower substrate are preferably minimized.
In einem dritten Verfahrensschritt wird das obere Substrat in die Bondvorrichtung geladen und dabei in freier Form mit dem zumindest einem faseroptischen Abstandssensor vermessen, um Verformungen und/oder kritische Verzerrungen des oberen Substrats erfassen und insbesondere korrigieren zu können. In a third method step, the upper substrate is loaded into the bonding device and measured in free form with the at least one fiber optic distance sensor in order to be able to detect and in particular correct deformations and/or critical distortions of the upper substrate.
In einem vierten Verfahrensschritt wird das obere Substrat an dem oberen Substrathalter insbesondere mittels Vakuumzonen befestigt und dabei mittels dem zumindest einem faseroptischen Abstandssensors vermessen. Durch die geregelte Befestigung des oberen Substrats können unerwünschte Verzerrungen und/oder Verformungen des oberen Substrats minimiert, bevorzugt eliminiert werden. In einem fünften Verfahrensschritt werden die Substrate insbesondere anhand von Ausrichtungsmarkierungen zueinander ausgerichtet. In a fourth method step, the upper substrate is attached to the upper substrate holder, in particular by means of vacuum zones, and is measured using at least one fiber-optic distance sensor. The controlled attachment of the upper substrate allows undesirable distortions and/or deformations of the upper substrate to be minimized, preferably eliminated. In a fifth process step, the substrates are aligned to each other, in particular using alignment markings.
In einem sechsten Verfahrensschritt wird ein Fusionsbond mittels Kontaktierung des oberen Substrats und oberen Substrats initiiert. Dabei kann der Fusionsbond mit insbesondere einem Bondpin eingeleitet werden. Die Initiierung der Lauf der Bondwelle kann mit zumindest einem faseroptischen Abstandssensor beobachtet werden, um die Bondwelle kontrolliert durchlaufen zu lassen. In a sixth process step, a fusion bond is initiated by contacting the upper substrate and the upper substrate. The fusion bond can be initiated with a bond pin in particular. The initiation of the path of the bond wave can be observed with at least one fiber optic distance sensor in order to allow the bond wave to pass through in a controlled manner.
In einem siebten Verfahrensschritt wird der Verlauf der Bondwelle mittels zumindest eines faseroptischen Sensors im oberen Substrathalter beobachtet. Dabei wird der Abstand zwischen der Rückseite des oberen Substrats und der oberen Substrathalters in Funktion der Zeit aufgenommen und/oder gespeichert und/oder einer Regelung der Bondwelle, insbesondere der Vakuumzonenregelung zugeführt und/oder visualisiert und/oder verarbeitet und/oder statistisch ausgewertet. In a seventh method step, the course of the bonding wave is observed by means of at least one fiber optic sensor in the upper substrate holder. The distance between the back of the upper substrate and the upper substrate holder is recorded as a function of time and/or stored and/or fed to a control of the bonding wave, in particular the vacuum zone control, and/or visualized and/or processed and/or statistically evaluated.
In einem achten Verfahrensschritt wird der Verlauf der Bondwelle insbesondere in Echtzeit zum siebten Verfahrensschritt mittels Beeinflussung des Vakuums zumindest einer Vakuumzone eines Substrathalters beeinflusst, um die Verzerrungen beim Bonden zu minimieren. In an eighth process step, the course of the bonding wave is influenced, in particular in real time to the seventh process step, by influencing the vacuum of at least one vacuum zone of a substrate holder in order to minimize distortions during bonding.
In einem neunten Verfahrensschritt wird das Fusionsbonden des Substratstapels beendet und das obere Substrathalter wird vom oberen Substrat getrennt. Dieser Verfahrensschritt kann optional mit dem siebten und/oder mit dem achten Verfahrensschritt ablaufen. In a ninth process step, the fusion bonding of the substrate stack is completed and the upper substrate holder is separated from the upper substrate. This process step can optionally be carried out with the seventh and/or the eighth process step.
In einem zehnten Verfahrensschritt wird der gebondete Substratstapel im Prebond aus der Bondvorrichtung entfernt und insbesondere einer Qualitätskontrolle zugeführt. In a tenth process step, the bonded substrate stack in the prebond is removed from the bonding device and, in particular, subjected to a quality control.
Soweit vorliegend und/oder in der anschließenden Figurenbeschreibung Vorrichtungsmerkmale offenbart sind, sollen diese auch als Verfahrensmerkmale offenbart gelten und umgekehrt. Alle Zahlenwerte und Relationsangaben (Parallelität, Deckungsgleichheit, Normalität, Ebenheit, usw.) in dieser Offenbarung werden als Begriffe toleranzbehafteter Größen verwendet, sodass insbesondere die Toleranzen nicht tolerierten Längen- bzw. Winkelmaße gemäß ISO 2768 sowie die für die Halbleiterindustrie einschlägigen Semi- Standards (für Ebenheit, Welligkeit, Durchbiegung, Partikelbelastung etc.) gelten, es sei denn die Toleranzen sind explizit angegeben. Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Substrathalter für eine erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei das Sensorelement in den Substrathalter integriert ist. Alle für die Vorrichtung beschriebenen Vorteil und Eigenschaften lassen sich analog übertragen auf den Substrathalter und andersrum. To the extent that device features are disclosed here and/or in the following description of the figures, these should also be considered disclosed as process features and vice versa. All numerical values and relational information (parallelism, congruence, normality, flatness, etc.) in this disclosure are used as terms for quantities subject to tolerances, so that in particular the tolerances of non-tolerated length or angle dimensions according to ISO 2768 and the semi-standards relevant to the semiconductor industry (for flatness, waviness, deflection, particle load, etc.) apply, unless the tolerances are explicitly stated. A further subject of the present invention is a substrate holder for a device according to the invention, wherein the sensor element is integrated into the substrate holder. All advantages and properties described for the device can be transferred analogously to the substrate holder and vice versa.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Sensorelement zur Integration in eine erfindungsgemäße Vorrichtung oder einen erfindungsgemäßen Substrathalter. Alle für die Vorrichtung beschriebenen Vorteil und Eigenschaften lassen sich analog übertragen auf den Substrathalter und das Sensorelement und andersrum. Insbesondere ist es vorgesehen, dass mit dem Sensorelement eine Aufrüstung bestehender Vorrichtungen möglich ist. Beispielsweise ist das Sensorelement derart dimensioniert, dass es in eine Ausnehmung eingelassen werden kann, die ursprünglich als Vakuumöffnung oder Öffnung für ein Deformationselement vorgesehen war bzw. ist. Dadurch ist es lediglich erforderlich das Sensorelement in die entsprechende Ausnehmung zu platzieren und zu fixieren. Another subject of the present invention is a sensor element for integration into a device according to the invention or a substrate holder according to the invention. All advantages and properties described for the device can be transferred analogously to the substrate holder and the sensor element and vice versa. In particular, it is intended that the sensor element can be used to upgrade existing devices. For example, the sensor element is dimensioned in such a way that it can be inserted into a recess that was or is originally intended as a vacuum opening or opening for a deformation element. This means that it is only necessary to place the sensor element in the corresponding recess and fix it.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Diese zeigen in: Further advantages, features and details of the invention emerge from the following description of preferred embodiments and from the drawings. These show:
Fig. 1 ist eine schematische Darstellung einer Fusionsbondvorrichtung mit einem integrierten faseroptischen Abstandssensor. Fig. 1 is a schematic representation of a fusion bonding device with an integrated fiber optic distance sensor.
Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines Ausschnitts eines Substrathalters mit einem integrierten faseroptischen Sensor. Fig. 2 is a schematic representation of a section of a substrate holder with an integrated fiber optic sensor.
In den Figuren sind Vorteile und Merkmale der Erfindung mit diese jeweils identifizierenden Bezugszeichen gemäß Ausführungsformen der Erfindung gekennzeichnet, wobei Bauteile beziehungsweise Merkmale mit gleicher oder gleichwirkender Funktion mit identischen Bezugszeichen gekennzeichnet sind. In the figures, advantages and features of the invention are identified with reference numerals identifying them in accordance with embodiments of the invention, wherein components or features with the same or equivalent function are identified with identical reference numerals.
Die Figuren sind als Skizzen zu verstehen, von welchen keine Größenrelationen oder Maßstäbe ableiten lassen. Sie zeigen die Relationen der Teile zueinander unter Umständen in überhöhter Darstellung, welche zur Veranschaulichung verwendet wird. The figures are to be understood as sketches from which no size relationships or scales can be derived. They show the relationships of the parts to each other in an exaggerated representation, which is used for illustration purposes.
Fig. 1 zeigt Teile einer Vorrichtung 1 zum Fusionsbonden. Die Bondvorrichtung 1 beinhaltet ein Gestell 8, auf welchem die optischen Erfassungsmittel 3 für das untere Substrat 11 auf einem beweglichen Gestell 2 mit der Bewegungsvorrichtung 4 befestigbar ist. Insbesondere in derselben optischen Achse des optischen Erfassungsmittels 3 befindet sich das optische Erfassungsmittel 7 für die Erfassung einer Ausrichtungsmarkierung eines oberen Substrats, welche nicht dargestellt ist. Das bewegliche Gestell 5 und die Bewegungsvorrichtung 6 ermöglichen die Fokussierung des optischen Erfassungsmittel 7 auf die Ausrichtungsmarkierung. Fig. 1 shows parts of a device 1 for fusion bonding. The bonding device 1 includes a frame 8 on which the optical detection means 3 for the lower substrate 11 can be fastened to a movable frame 2 with the movement device 4. In particular, in the same optical axis of the optical detection means 3 there is the optical detection means 7 for detecting an alignment mark of an upper substrate, which is not shown. The movable frame 5 and the movement device 6 enable the optical detection means 7 to be focused on the alignment mark.
Das untere Substrathalter 9 kann das untere Substrat 11 aufnehmen. Die Vakuumsegmente sowie die Vakuumkanäle des Substrathalters 9 werden nicht dargestellt. Mittels Bewegungsvorrichtung des unteren Substrathalters 10 können die notwendigen Substratbewegungen zum Be- und Entladen sowie zur Justierung vorgenommen werden. The lower substrate holder 9 can hold the lower substrate 11. The vacuum segments and the vacuum channels of the substrate holder 9 are not shown. The necessary substrate movements for loading and unloading as well as for adjustment can be carried out by means of the movement device of the lower substrate holder 10.
Das obere Substrathalter 12 kann das nicht dargestellte obere Substrat aufnehmen. Die Vakuumsegmente sowie die Vakuumkanäle des oberen Substrathalters 12 werden nicht dargestellt. Mittels Bewegungsvorrichtung des oberen Substrathalters 13 können die notwendigen Substratbewegungen zum Be- und Entladen sowie zur Justierung vorgenommen werden. Schematisch eingezeichnet ist der Bondpin 14, welche das Fusionsbond nach Annäherung der Substrate die Bondwelle startet. Ein faseroptischer Abstandssensor 15 wird dargestellt, mit zwei fiktiven, einander überlappenden Strahlen 16, mit deren Hilfe der Abstand a insbesondere zwischen dem oberen Substrathalter 12 und dem Substrat 11 oder zwischen dem oberen Substrathalter 12 und dem unteren Substrathalter 9 oder zwischen dem oberen Substrathalter 12 und dem oberen Substrat gemessen werden kann. Die weiteren faseroptischen Abstandssensoren sowie die Strahlungsquellen und Auswerteeinheiten werden nicht dargestellt. Insbesondere versteht der Fachmann unter dem als Faser ausgebildeten Sensorelement, ein Bauteil, dessen Faserende für die Aufnahme von Licht bzw. Signalen vorgesehen ist. Diese Signale werden dann zu einer gemeinsamen Auswerteeinrichtung weitergegeben, die als vergleichsweise große Komponente beabstandet ist von dem Sensorelement. Hierlaufen bevorzugt die Signale von mehreren Faser mit nebeneinander angeordneten Faserenden zusammen um in der gemeinsamen Auswerteinrichtung zusammen ausgewertet zu werden. The upper substrate holder 12 can hold the upper substrate (not shown). The vacuum segments and the vacuum channels of the upper substrate holder 12 are not shown. The necessary substrate movements for loading and unloading as well as for adjustment can be carried out using the movement device of the upper substrate holder 13. The bond pin 14, which starts the bonding wave of the fusion bond after the substrates have approached, is shown schematically. A fiber optic distance sensor 15 is shown with two fictitious, overlapping beams 16, with the aid of which the distance a can be measured, in particular between the upper substrate holder 12 and the substrate 11 or between the upper substrate holder 12 and the lower substrate holder 9 or between the upper substrate holder 12 and the upper substrate. The other fiber optic distance sensors as well as the radiation sources and evaluation units are not shown. In particular, the person skilled in the art understands the sensor element designed as a fiber to be a component whose fiber end is intended for receiving light or signals. These signals are then passed on to a common evaluation device, which is a relatively large component at a distance from the sensor element. Here, the signals from several fibers with fiber ends arranged next to one another preferably converge to be evaluated together in the common evaluation device.
Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt eines oberen Substrathalters 12‘ in einer Oberansicht, bei welchem die funktionale Oberfläche schematisch dargestellt ist. Dabei sind zwei Fasern des faseroptischen Abstandssensors mit 15‘ dargestellt. Die Vakuumdüse 17 steht mit der Vakuumsteuerung in fluidischer Verbindung, sodass das angelegte Vakuum geregelt wer- den kann. Eine schematisch dargestellte Dichtlippe 18 begrenzt die dargestellte Vakuumzone. Eine weitere ähnliche Vakuumzone mit denselben Elementen wird ohne Markierungen dargestellt. Fig. 2 shows a section of an upper substrate holder 12' in a top view, in which the functional surface is shown schematically. Two fibers of the fiber optic distance sensor are shown with 15'. The vacuum nozzle 17 is in fluidic connection with the vacuum control so that the applied vacuum can be regulated. A schematically shown sealing lip 18 delimits the vacuum zone shown. Another similar vacuum zone with the same elements is shown without markings.
Bezugszeichenliste: List of reference symbols:
1 Vorrichtung zum Bonden von Substraten 1 device for bonding substrates
2 Bewegliches Gestell der oberen optischen Erfassungsmittel 2 Movable frame of the upper optical detection means
3 Oberes optisches Erfassungsmittel 3 Upper optical detection device
4 Bewegungsvorrichtung des oberen optischen Erfassungsmittels4 Movement device of the upper optical detection means
5 Bewegliches Gestell der unteren optischen Erfassungsmittel 5 Movable frame of the lower optical detection means
6 Bewegungsvorrichtung des unteren optischen Erfassungsmittels6 Movement device of the lower optical detection means
7 Unteres optisches Erfassungsmittel 7 Lower optical detection device
8 Gestell 8 frame
9 Unteres Substrathalter 9 Lower substrate holder
10 Bewegungsvorrichtung des unteren Substrathalters 10 Movement device of the lower substrate holder
11 Unteres Substrat 11 Lower substrate
12, 12' Oberes Substrathalter 12, 12' Upper substrate holder
13 Bewegungsvorrichtung des oberen Substrathalters 13 Movement device of the upper substrate holder
14 Bondpin 14 bond pin
15,15' Fasern 15.15' fibers
16 Symbolische Messstrahlung des faseroptischen Abstandssensors16 Symbolic measuring radiation of the fiber optic distance sensor
17 Vakuumdüse 17 vacuum nozzle
18 Vakuumdichtung, Dichtlippe 18 Vacuum seal, sealing lip
Claims
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
PCT/EP2023/071550 WO2025026563A1 (en) | 2023-08-03 | 2023-08-03 | Method for bonding a first substrate to a second substrate, device for bonding, substrate holder for such a device, and sensor element |
TW113128993A TW202507920A (en) | 2023-08-03 | 2024-08-02 | Method for bonding a first substrate with a second substrate, device for bonding, substrate holder for such a device and sensor element |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
PCT/EP2023/071550 WO2025026563A1 (en) | 2023-08-03 | 2023-08-03 | Method for bonding a first substrate to a second substrate, device for bonding, substrate holder for such a device, and sensor element |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
WO2025026563A1 true WO2025026563A1 (en) | 2025-02-06 |
Family
ID=87571277
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
PCT/EP2023/071550 WO2025026563A1 (en) | 2023-08-03 | 2023-08-03 | Method for bonding a first substrate to a second substrate, device for bonding, substrate holder for such a device, and sensor element |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
TW (1) | TW202507920A (en) |
WO (1) | WO2025026563A1 (en) |
Citations (14)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6881596B2 (en) | 2002-04-30 | 2005-04-19 | S.O.I. Tec Silicon On Insulator Technologies S.A. | Method for automatically determining the surface quality of a bonding interface between two wafers |
US7479441B2 (en) | 2005-10-14 | 2009-01-20 | Silicon Genesis Corporation | Method and apparatus for flag-less water bonding tool |
US20120077329A1 (en) | 2010-09-23 | 2012-03-29 | Marcel Broekaart | Direct bonding method with reduction in overlay misalignment |
EP2463892B1 (en) | 2010-12-13 | 2013-04-03 | EV Group E. Thallner GmbH | Device, assembly and method for detecting alignment errors |
US8475612B2 (en) | 2010-07-07 | 2013-07-02 | Soitec | Method for molecular adhesion bonding with compensation for radial misalignment |
WO2014191033A1 (en) | 2013-05-29 | 2014-12-04 | Ev Group E. Thallner Gmbh | Device and method for bonding substrates |
EP2656378B1 (en) | 2010-12-20 | 2015-03-18 | Ev Group E. Thallner GmbH | Accommodating device for retaining wafers |
WO2017140348A1 (en) * | 2016-02-16 | 2017-08-24 | Ev Group E. Thallner Gmbh | Method for bonding substrates |
US20180158796A1 (en) * | 2016-12-01 | 2018-06-07 | Tokyo Electron Limited | Bonding apparatus, bonding system, bonding method and storage medium |
WO2018162070A1 (en) * | 2017-03-09 | 2018-09-13 | Ev Group E. Thallner Gmbh | Electrostatic substrate retainer |
JP2019175888A (en) * | 2018-03-26 | 2019-10-10 | ファスフォードテクノロジ株式会社 | Die bonding apparatus and semiconductor device manufacturing method |
WO2020147964A1 (en) * | 2019-01-18 | 2020-07-23 | Ev Group E. Thallner Gmbh | Measurement device and method for determining the progression of a bond wave |
CN113327879A (en) * | 2021-05-14 | 2021-08-31 | 长江存储科技有限责任公司 | Chuck adjusting device and method and wafer bonding device and method |
US20230019415A1 (en) * | 2021-07-09 | 2023-01-19 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. | Dynamic Bonding Gap Control and Tool for Wafer Bonding |
-
2023
- 2023-08-03 WO PCT/EP2023/071550 patent/WO2025026563A1/en active Search and Examination
-
2024
- 2024-08-02 TW TW113128993A patent/TW202507920A/en unknown
Patent Citations (14)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6881596B2 (en) | 2002-04-30 | 2005-04-19 | S.O.I. Tec Silicon On Insulator Technologies S.A. | Method for automatically determining the surface quality of a bonding interface between two wafers |
US7479441B2 (en) | 2005-10-14 | 2009-01-20 | Silicon Genesis Corporation | Method and apparatus for flag-less water bonding tool |
US8475612B2 (en) | 2010-07-07 | 2013-07-02 | Soitec | Method for molecular adhesion bonding with compensation for radial misalignment |
US20120077329A1 (en) | 2010-09-23 | 2012-03-29 | Marcel Broekaart | Direct bonding method with reduction in overlay misalignment |
EP2463892B1 (en) | 2010-12-13 | 2013-04-03 | EV Group E. Thallner GmbH | Device, assembly and method for detecting alignment errors |
EP2656378B1 (en) | 2010-12-20 | 2015-03-18 | Ev Group E. Thallner GmbH | Accommodating device for retaining wafers |
WO2014191033A1 (en) | 2013-05-29 | 2014-12-04 | Ev Group E. Thallner Gmbh | Device and method for bonding substrates |
WO2017140348A1 (en) * | 2016-02-16 | 2017-08-24 | Ev Group E. Thallner Gmbh | Method for bonding substrates |
US20180158796A1 (en) * | 2016-12-01 | 2018-06-07 | Tokyo Electron Limited | Bonding apparatus, bonding system, bonding method and storage medium |
WO2018162070A1 (en) * | 2017-03-09 | 2018-09-13 | Ev Group E. Thallner Gmbh | Electrostatic substrate retainer |
JP2019175888A (en) * | 2018-03-26 | 2019-10-10 | ファスフォードテクノロジ株式会社 | Die bonding apparatus and semiconductor device manufacturing method |
WO2020147964A1 (en) * | 2019-01-18 | 2020-07-23 | Ev Group E. Thallner Gmbh | Measurement device and method for determining the progression of a bond wave |
CN113327879A (en) * | 2021-05-14 | 2021-08-31 | 长江存储科技有限责任公司 | Chuck adjusting device and method and wafer bonding device and method |
US20230019415A1 (en) * | 2021-07-09 | 2023-01-19 | Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. | Dynamic Bonding Gap Control and Tool for Wafer Bonding |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
TW202507920A (en) | 2025-02-16 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP3734650B1 (en) | Device and method for aligning substrates | |
EP2093537B1 (en) | Process and device for the determination of the alignment of two rotatable machine parts | |
EP3596750B1 (en) | Method for bonding at least three substrates | |
DE102011011065B4 (en) | Method and device for the high-precision measurement of surfaces | |
EP2299472A1 (en) | Device for aligning two substrates | |
WO2015082020A1 (en) | Device and method for aligning substrates | |
DE102010015884B4 (en) | Method for reproducibly determining the position of structures on a pellicle frame mask | |
DE102014205523A1 (en) | Positioning device in gantry design | |
WO2023110113A1 (en) | Method and device for aligning a substrate | |
EP2764327B1 (en) | Determination of substrate deformation | |
EP4073835A1 (en) | Method and device for aligning substrates | |
DE10150129C1 (en) | Calibration method for laser machining device compares actual pattern described by laser beam with required pattern for correction of beam deflection unit | |
EP1019669A1 (en) | Device for detecting the position of two bodies | |
WO2020187549A1 (en) | Projection exposure system for semiconductor lithography having an optical element with sensor reference and method for aligning the sensor reference | |
DE102013017288B4 (en) | Method and device for adjusting a pair by means of electromagnetic radiation measuring measuring heads | |
DE102013017289A1 (en) | Method for carrying out a thickness measurement on strip-like materials and on piece goods as well as a corresponding device | |
WO2025026563A1 (en) | Method for bonding a first substrate to a second substrate, device for bonding, substrate holder for such a device, and sensor element | |
WO2023110114A1 (en) | Device and method for adjusting a detection means | |
EP1852674B1 (en) | Measuring device for determining the relative displacement between two components | |
DE10157983C5 (en) | Positioning and / or laser processing method and apparatus | |
EP2928280B1 (en) | Measuring mark system for calibrating a machine | |
DE112019004129T5 (en) | Auxiliary metrology position coordinate determination system that includes an orientation sensor for use with a robot | |
EP1137973B1 (en) | Method and device for reducing temperature-related measurement deviations in parallel measurement systems | |
DE102023136907A1 (en) | Tool reference for multi-level referencing and device and method for determining an orientation and/or position of a component therewith | |
DE102022128088A1 (en) | Calibration procedure of a light barrier arrangement |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 23754184 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
DPE1 | Request for preliminary examination filed after expiration of 19th month from priority date (pct application filed from 20040101) |