(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体構造体の接合のための装置であって、
第１の半導体構造体（４１０）の第１の表面（４１０a)を第２の半導体構造体（４２０）の第１の表面（４２０a）に真向かいに接触するように位置付ける器具と、
前記第１の半導体構造体の前記第１の表面（４１０a)と前記第２の半導体構造体の前記第１の表面（４２０a）との間の接合界面エリア全体に均一な圧力を印加するように構成されている円柱状に生成される加圧気体である力柱（４５０）〔以下力柱（４５０）という〕を用いて、前記第１の半導体構造体（４１０）及び前記第２の半導体構造体（４２０）を共に押圧することによって前記第１の半導体構造体（４１０）の第１の表面（４１０a)と第２の半導体構造体（４２０）の第１の表面（４２０a）の間における前記接合界面エリアを形成する接合形成器具と、
を備える、半導体構造体の接合のための装置であって、
前記力柱（４５０）は、接合プロセス全体の間、前記力柱からつながる可動部分（２２Ｍ又は２０Ｍ）を経て、前記接合界面エリア全体にわたって均一に分布する荷重を半導体構造体に対して印加し、前記接合界面エリア全体に沿った変位、応力及び接合圧力を均一にするように構成されており、更に
前記力柱（４５０）及び前記可動部分（２２Ｍ又は２０Ｍ）の横断面が、前記第１の半導体構造体（４１０）の第１の表面（４１０a)と第２の半導体構造体（４２０）の第１の表面（４２０a）の間における前記接合界面エリア全体と一致する寸法になっており、円柱状に構成された、均一に分布する力からなる、前記力柱（４５０）が、接合界面エリア全体に印加するように構成されており、
前記接合形成器具は、前記力柱（４５０）を生成するように構成されているアクチュエータを備え、前記アクチュエータは、可動プレート部材（５４又は５７）を有する閉鎖系であり、力柱（４５０）の生成が加圧気体の前記アクチュエータ内への導入による前記可動プレート部材の移動によっておこる、半導体構造体の接合のための装置。
【請求項２】
前記ベースの寸法は調整可能であって、前記ベースの寸法が、４インチ（約１０．１６ｃｍ）、６インチ（約１５．２４ｃｍ）又は８インチ（約２０．３２ｃｍ）の直径のうちの１つを有する前記接合界面エリアと一致するように調整されうる、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記力柱は、前記接合界面エリア全体に、前記圧力を少なくとも９０パーセントの均一性を有するように印加し、前記圧力は、１０００ｍｂａｒ〜５００００ｍｂａｒの範囲である、請求項１〜２のいづれか一に記載の装置。
【請求項４】
前記位置付ける器具は、前記第１の半導体構造体の第２の表面と接触するように構成されている第１のクランプ部材と、前記第２の半導体構造体の第２の表面と接触するように構成されている第２のクランプ部材とを有するクランプ（２８６）を備え、前記第１の半導体構造体の前記第２の表面、及び前記第２の半導体構造体の前記第２の表面は、前記第１の半導体構造体の前記第１の表面、及び前記第２の半導体構造体の前記第１の表面に対してそれぞれ反対であり、前記力柱を用いて前記第１の半導体構造体及び前記第２の半導体構造体を共に押圧することは、前記力柱を用いて前記第１のクランプ部材及び前記第２のクランプ部材のうちの少なくとも一方を押圧することを含む請求項１〜３のいづれか一に記載の装置。
【請求項５】
前記位置付け器具及び前記接合形成器具の荷重に耐えるように構成されているフレームをさらに備え、前記フレームは、少なくとも１つの剛性の支柱をさらに備え、前記第１のクランプ部材及び前記第２のクランプ部材は、前記半導体構造体の前記接合中に生成されるあらゆる曲げモーメントを前記フレームに伝達するように前記支柱に接続されるように構成されており、前記フレームは３つの剛性の支柱（４２）を備える、請求項１〜４のいづれか一に記載の装置。
【請求項６】
前記第１のクランプ部材及び前記第２のクランプ部材のうちの一方又は両方は、前記剛性の支柱に可動に接続される請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記フレームは上部プレート及び底部プレートをさらに備え、該上部プレート及び該底部プレートは前記剛性の支柱に接続される、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
制御雰囲気チャンバをさらに備え、前記チャンバ内の圧力を監視するように構成されている圧力計（２９５）をさらに備える、請求項１〜７のいづれか一に記載の装置。
【請求項９】
前記第１の半導体構造体及び前記第２の半導体構造体を、前記チャンバ内に出し入れするように搬送すると共に前記第１のクランプ部材及び前記第２のクランプ部材間に配置するように構成されているキャリヤ締結具（２４）をさらに備え、前記キャリヤ締結具は、前記第１の半導体構造体の前記第１の表面、及び前記第２の半導体構造体の前記第１の表面を第１の距離に維持するように構成されている少なくとも１つのスペーサ（２８４）を備え、前記キャリヤ締結具は、前記第１の半導体構造体及び前記第２の半導体構造体を共に締め付ける少なくとも１つのクランプをさらに備える、請求項１〜８のいづれか一に記載の装置。
【請求項１０】
前記少なくとも１つのスペーサ及び前記少なくとも１つのクランプは独立して作動する、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記力柱を用いて前記第１の半導体構造体及び前記第２の半導体構造体を共に押圧する前に、該第１の半導体構造体の前記第１の表面、及び該第２の半導体構造体の前記第１の表面を固定するように構成されているピンをさらに備え、前記ピンは、調整可能な力を用いて前記第１の半導体構造体の前記第１の表面、及び前記第２の半導体構造体の前記第１の表面を固定する、請求項１〜１０のいづれか一に記載の装置。
【請求項１２】
前記チャンバは、前記キャリヤ締結具を該チャンバ内に出し入れするように搬送することができるような寸法になっているポートを備える、請求項９に記載の装置。
【請求項１３】
前記ポートを介して前記チャンバと連通するように構成されている予装填チャンバ（１５）であって、前記ポートは該予装填チャンバを前記チャンバから分離するシャッターを備える、予装填チャンバをさらに備える、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
前記第１のクランプ部材の第１の表面を前記第２のクランプ部材の第１の表面に平行に位置合せする器具であって、前記第１のクランプ部材の前記第１の表面は、前記第１の半導体構造体の前記第２の表面と接触するように構成されており、且つ前記第２のクランプ部材の前記第１の表面は、前記第２の半導体構造体の前記第２の表面と接触するように構成されている、位置合せする器具をさらに備え、前記位置合せ器具は、前記力柱が前記接合界面エリアに垂直に印加されるように、前記第１の半導体構造体の前記第１の表面と、前記第２の半導体構造体の前記第１の表面とを位置合せするように構成されている、請求項１〜１３のいづれか一に記載の装置。
【請求項１５】
前記位置合せ器具は、リニアアライメント工具及び/又は回転アライメント工具を備え、前記回転アライメント器具は、前記接合界面エリアの中心の周囲で前記２つの第１の表面のうちの一方を回転によって位置合せするように構成されている、請求項１４に記載の装置。
【請求項１６】
前記接合界面エリア全体が±１度の温度均一性に達するように前記第１の半導体構造体及び前記第２の半導体構造体を加熱する器具をさらに備える、請求項１〜１５のいづれか一に記載の装置。
【請求項１７】
前記第１の半導体構造体及び前記第２の半導体構造体を前記位置付け器具及び前記接合形成器具から熱分離するように構成されている熱分離システム（７２）をさらに備える、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記熱分離システムは、弾性膜と、低いＣＴＥの材料を含む基板との間に閉じ込められる真空分離層を備え、前記基板は、前記膜との接触を最小限にするような構造になっている表面を備える、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記加熱する器具は、前記第１の半導体構造体及び前記第２の半導体構造体の中心領域並びに周縁領域の加熱を独立して制御するように構成されている独立制御式マルチゾーンヒータを備える、請求項１８に記載の装置。
【請求項２０】
前記加熱する器具は、前記第１の半導体基板を加熱するように構成されている第１のセットのヒータと、前記第２の半導体基板を加熱するように構成されている第２のセットのヒータとを備え、前記第１のセットのヒータは、前記第２のセットのヒータの鏡像構成に配置される、請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
前記第１の半導体構造体及び前記第２の半導体構造体は、半導体ウェハ、フラットパネル構造体、集積回路デバイス、３Ｄ集積マイクロエレクトロニクス、又はマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項２２】
前記第１の半導体構造体の前記第１の表面、及び前記第２の半導体構造体の前記第１の表面は、金属、半導体、１つの絶縁体、接着剤、格子構造体、ガラス又は複数の絶縁体のうちの少なくとも１つを含む、第１の接合層及び第２の接合層をそれぞれさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項２３】
前記接合は、陽極接合、共昌接合、接着接合、溶融接合、ガラスフリット接合又は熱圧着接合のうちの１つを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項２４】
半導体構造体を接合する方法であって、
第１の半導体構造体（４１０）の第１の表面（４１０a）を第２の半導体構造体（４２０）の第１の表面（４２０a）に真向かいに接触するように位置付けること、及び
前記第１の半導体構造体の前記第１の表面と前記第２の半導体構造体の前記第１の表面との間における接合界面エリア全体に均一な圧力を印加するように構成されている円柱状に生成される加圧気体である力柱（４５０）〔以下力柱（４５０）という〕を用いて、前記第１の半導体構造体及び前記第２の半導体構造体を共に押圧することによって前記第１の半導体構造体（４１０）の第１の表面（４１０a)と第２の半導体構造体（４２０）の第１の表面（４２０a）の間における前記接合界面エリアを形成すること、
を含む、半導体構造体を接合する方法であって；
前記力柱（４５０）は、接合プロセス全体の間、前記力柱からつながる可動部分（２２
M又は２０M）を経て、前記接合界面エリア全体にわたって均一に分布する荷重を半導体構造体に印加し、前記接合界面エリア全体に沿った変位、応力及び接合圧力を均一にし、更に
前記力柱（４５０）及び前記可動部分（２２Ｍ又は２０Ｍ）の横断面は、前記第１の半導体構造体（４１０）の第１の表面（４１０a)と第２の半導体構造体（４２０）の第１の表面（４２０a）の間における前記接合界面エリア全体と一致する寸法になっており、円柱状に構成された、均一に分布する力からなる、前記力柱（４５０）が、接合界面エリア全体に印加するように構成され、
前記力柱はアクチュエータによって生成され、前記アクチュエータは、可動プレート部材（５４又は５７）を有する閉鎖系であり、力柱（４５０）の生成が加圧気体の前記アクチュエータ内への導入による前記可動プレート部材の移動によっておこる、半導体構造体の接合のための方法。
【請求項２５】
前記接合は、陽極接合、共昌接合、接着接合、溶融接合、ガラスフリット接合又は熱圧着接合のうちの１つを含む、請求項２４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体接合のための装置及び方法、特に、強力な力による半導体接合のための装置及び方法に関する。
【０００２】
［関連する同時係属出願の相互参照］
本願は、２００６年６月２２日に出願された「HIGH-FORCE BOND TOOL」と題する米国仮出願第６０／８１５，６１９号、及び２００７年６月２１日に出願された「APPARATUS AND METHOD FOR SEMICONDUCTOR BONDING」と題する米国出願第１１／７６６，５３１号の利益を主張するものであり、これらの内容は参照によって本明細書に明示的に援用される。
【背景技術】
【０００３】
消費者は常に、より安価な電気デバイス及び電子デバイスを求めている。消費者向けの電気デバイス及び電子デバイスにおける生産コストの大部分は、消費者が当該電子デバイスをたいへん欲するようにするところの、まさにその特徴を提供する半導体装置のコストにある。したがって、半導体装置の製造業者は半導体の製造コストを削減する方法を求め続けている。半導体装置の単位コストを決める重要なファクターは、所与の生産ロットにおける、半導体装置内に存在する欠陥である。なお、半導体装置の欠陥による損失は製造業者に金銭的な損失をもたらし、この損失は一般的に、単価を上げることによって対処され得る。半導体装置の作製において欠陥が生じ得るエリアは、基板接合におけるウェハにある。ウェハ接合は、制御された雰囲気内で、位置合わせされている２つ以上のウェハのスタックに熱、力、及び、時には電圧を印加することを含む。ウェハ同士の位置合せに悪影響を及ぼさず、ウェハエリア全体にわたって均一で、高い完全性の接合をもたらすことが全てのウェハ接合の目標である。接合完全性の向上は、より高い界面圧力の生成によって達成することができる。向上した接合の結果を得る為には、界面圧力は極めて高くても良く、したがって、接合されるウェハに相当な力を印加することが望まれる。例えば、２００ｍｍ直径のウェハに対して９０ｋＮ、又は３００ｍｍ直径のウェハに対して１００ｋＮである。しかし、大きな力は、接合を可能にするが、従来の力を印加する接合工具の屈曲又は歪みを生じる原因ともなり、その結果、界面圧力の不均一、接合品質のばらつき、及びウェハのずれを生じ、そして大きな接合力を使用することによって求める向上が成し遂げられない。従来のシステムでは、圧力の不均一性は接合界面（bond interface）の５０％に達する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、接合界面全体にわたって均一な圧力を印加することができる接合装置を提供することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
概して、１つの態様では、本発明は、半導体構造体の接合のための装置であって、第１の半導体構造体の第１の表面を第２の半導体構造体の第１の表面の真向かいに接触するように位置付ける器具と、第１の半導体構造体の第１の表面と第２の半導体構造体の第１の表面との間の接合界面エリア全体に均一な圧力を印加するように構成されている力柱（force column：円柱状の力）を用いて、第１の半導体構造体及び第２の半導体構造体を共に押圧することによって当該第１の表面間に接合界面エリアを形成する器具とを含む、半導体構造体の接合のための装置を特徴とする。
【０００６】
本発明のこの態様の実施態様は、以下の特徴の１つ又は複数を含み得る。力柱は、第１の表面間の接合界面エリア全体と一致する寸法になっているベース（base：底面）を有する円柱状（column）に構成されている複数の力を含む。ベースの寸法は調整可能とすることができ、４インチ（約１０．１６ｃｍ）、６インチ（約１５．２４ｃｍ）又は８インチ（約２０．３２ｃｍ）の直径を有する接合界面エリアと一致するように調整され得る。力柱は、接合界面エリア全体に、圧力を少なくとも９０パーセントの均一性を有するように印加する。圧力は、１０００ｍｂａｒ〜５００００ｍｂａｒの範囲であり得る。接合形成器具は、力柱を生成するように構成されているアクチュエータを含む。アクチュエータは、加圧気体若しくは加圧流体又は磁石によって駆動する固体プレートとしてもよい。位置付け器具（positioning equipment）は、第１の半導体構造体の第２の表面と接触するように構成されている第１のクランプ部材と、第２の半導体構造体の第２の表面と接触するように構成されている第２のクランプ部材とを有するクランプ（clamp：締め具）を備える。第１の半導体構造体の第２の表面、及び第２の半導体構造体の第２の表面は、第１の半導体構造体の第１の表面、及び第２の半導体構造体の第１の表面に対してそれぞれ反対(向かい合う：opposite to)である。力柱を用いて第１の半導体構造体及び第２の半導体構造体を共に押圧することは、力柱を用いて第１のクランプ部材及び第２のクランプ部材のうちの少なくとも一方を押圧することを含む。装置は、位置付け器具及び接合形成器具の荷重に耐えるように構成されているフレームをさらに含み得る。フレームは、少なくとも１つの剛性の支柱をさらに含むことができ、第１のクランプ部材及び第２のクランプ部材は、半導体構造体の接合中に生成されるあらゆる曲げモーメントをフレームに伝達するように支柱に接続されるように構成されている。第１のクランプ部材及び第２のクランプ部材のうちの一方又は両方は、剛性の支柱に可動に接続される。一実施の形態では、フレームは３つの剛性の支柱を備える。フレームは上部プレート及び底部プレートをさらに含むことができ、当該上部プレート及び当該底部プレートは剛性の支柱に接続され得る。装置は、制御雰囲気チャンバをさらに含み得る。装置は、第１の半導体構造体及び第２の半導体構造体を、チャンバに出し入れするように搬送すると共に第１のクランプ部材及び第２のクランプ部材間に配置するように構成されているキャリヤ締結具をさらに含み得る。キャリヤ締結具は、第１の半導体構造体の第１の表面、及び第２の半導体構造体の第１の表面を第１の距離に維持するように構成されている少なくとも１つのスペーサを含み得る。キャリヤ締結具は、第１の半導体構造体及び第２の半導体構造体を共に締め付ける（clamp：クランプする）少なくとも１つのクランプも有し得る。少なくとも１つのスペーサ及び少なくとも１つのクランプは独立して作動する。装置は、力柱を用いて第１の半導体構造体及び第２の半導体構造体を共に押圧する前に、当該第１の半導体構造体の第１の表面、及び当該第２の半導体構造体の第１の表面を固定する（stake）ように構成されているピンをさらに含み得る。ピンは、調整���能な力を用いて第１の半導体構造体の第１の表面、及び第２の半導体構造体の第１の表面を固定する。チャンバは、キャリヤ締結具を当該チャンバに出し入れするように搬送することができるような寸法になっているポートを備える。装置は、ポートを介してチャンバと連通するように構成されている予装填チャンバ（pre-load chamber）をさらに含むことができ、ポートは、予装填チャンバをチャンバから分離するシャッターを有し得る。装置は、チャンバ内の圧力を監視するように構成されている圧力計も含み得る。装置は、第１のクランプ部材の第１の表面を第２のクランプ部材の第１の表面に平行に位置合せする器具もさらに含み得る。第１のクランプ部材の第１の表面は、第１の半導体構造体の第２の表面と接触するように構成されており、且つ第２のクランプ部材の第１の表面は、第２の半導体構造体の第２の表面と接触するように構成されている。位置合せ器具は、力柱が接合界面エリアに垂直に印加されるように、第１の半導体構造体と、第２の半導体構造体とを位置合せするように構成されている。位置合せ器具は、リニアアライメント工具（linear alignment tool）と、回転アライメント工具（rotational alignment tool）とを含み得る。回転位置合せ器具は、接合界面エリアの中心の周囲で２つの第１の表面のうちの一方を回転によって位置合せするように構成されている。装置は、接合界面エリア全体が±１度の温度均一性に達するように第１の半導体構造体及び第２の半導体構造体を加熱する器具をさらに含み得る。装置は、第１の半導体構造体及び第２の半導体構造体を位置付け器具及び接合形成器具から熱分離するように構成されている熱分離システムをさらに含み得る。熱分離システムは、弾性膜と、低い熱膨張率（ＣＴＥ）の材料を含む基板との間に閉じ込められる真空分離層（vacuum isolation layer）を含む。低いＣＴＥの基板は、膜との接触を最小限にするような構造になっている表面を備える。加熱器具は、第１の半導体構造体及び第２の半導体構造体の中心領域並びに周縁領域を独立して加熱するように構成されている独立制御式マルチゾーンヒータを含み得る。加熱器具は、第１の半導体基板を加熱するように構成されている第１のセットのヒータと、第２の半導体基板を加熱するように構成されている第２のセットのヒータとを含むことができ、第１のセットのヒータは、第２のセットのヒータの鏡像構成に配置される。第１の半導体構造体及び第２の半導体構造体は、半導体ウェハ、フラットパネル構造体、集積回路デバイス、３Ｄ集積マイクロエレクトロニクス、又はマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）とすることができる。第１の半導体構造体の第１の表面、及び第２の半導体構造体の第１の表面はそれぞれ、第１の接合層及び第２の接合層をさらに備えることができ、当該第１の接合層及び第２の接合層は、金属、半導体、１つの絶縁体、接着剤、格子構造体、ガラス又は複数の絶縁体とすることができる。接合は、陽極接合、共昌接合、接着接合、溶融接合、ガラスフリット接合又は熱圧着接合とすることができる。
【０００７】
概して、別の態様では、本発明は、半導体構造体を接合する方法であって、第１の半導体構造体の第１の表面を第２の半導体構造体の第１の表面に真向かいに接触するように位置付けること、及び、次いで、第１の半導体構造体の第１の表面と第２の半導体構造体の第１の表面との間の接合界面エリア全体に均一な圧力を印加するように構成されている力柱を用いて第１の半導体構造体及び第２の半導体構造体を共に押圧することによって当該第１の表面間に接合界面エリアを形成することを含む、半導体構造体を接合する方法を特徴とする。
【０００８】
本発明の１つ又は複数の実施形態の詳細を添付の図面及び以下の説明に記載する。本発明の他の特徴、目的及び利点は、好ましい実施形態の以下の説明、図面及び特許請求の範囲から明らかになるであろう。
【０００９】
図面を参照する。なお、いくつかの図を通して同様の参照符号は同様の部分を表している。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】従来技術のウェハ接合システムの概略図である。
【図２Ａ】図１の従来技術のウェハ接合システムの接合界面に沿う変位を表す（displaying）有限要素解析結果を示す図である。
【図２Ｂ】図１の従来技術のウェハ接合システムの接合界面に沿うミーゼス応力を表す有限要素解析結果を示す図である。
【図３】本発明によるウェハ接合システムの概略図である。
【図４Ａ】図３のウェハ接合システムの接合界面に沿う変位を表す有限要素解析結果を示す図である。
【図４Ｂ】図３のウェハ接合システムの接合界面に沿うミーゼス応力を表す有限要素解析結果を示す図である。
【図５】本発明によるウェハ接合システムの別の実施形態の概略図である。
【図６】ウェハ接合装置の概略断面図である。
【図７】本発明によるウェハ接合装置の斜視図である。
【図８】図７のウェハ接合装置の断面図である。
【図９Ａ】ウェハ搬送（transport）締結具を含む、図８のウェハ接合装置の断面図である。
【図９Ｂ】図９Ａの上側ブロックアセンブリの一部の詳細な断面図である。
【図１０】ウェハが上部ブロックアセンブリ及び底部ブロックアセンブリと接触している（近接位置）、図９のウェハ接合装置の断面図である。
【図１１】図１０のウェハ接合装置の詳細な断面図である。
【図１２】上部アセンブリ及び底部アセンブリの断面図を含む、図８のウェハ接合装置の断面図である。
【図１３】図８のウェハ接合装置におけるアライメントシステムの一実施形態の詳細な断面図である。
【図１４Ａ】図８の接合装置における熱分離層（thermal isolation layer：熱絶縁層）の詳細な断面図である。
【図１４Ｂ】図１４ＡのエリアＡの概略断面図である。
【図１５】図８の上側ブロックアセンブリの一部の詳細な断面図である。
【図１６】ウェハキャリヤ締結具（wafer carrier fixture）及びウェハ荷重システムの斜視図である。
【図１７Ａ】ウェハキャリヤ締結具の上部斜視図である。
【図１７Ｂ】図１７Ａのウェハキャリヤ締結具におけるウェハスペーサ及び締め付けシステム（wafer spacers and clamping system）の詳細図である。
【図１８】ウェハヒータシステムの概略図である。
【図１９】ウェハヒータシステム及び熱分離システムの分解図である。
【図２０】ウェハ接合システムの別の実施形態の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１を参照すると、従来技術のウェハ接合システム３００において、第１の表面３１０ａ上に接合層３１２を有する第１のウェハ３１０が、第１の表面３２０ａ上に接合層３２２を有する第２のウェハ３２０に、２つの接合層３１２及び３２２が互いに対向するように接触している。ウェハ接合プロセスは、第１のウェハ３１０の第２の表面３１０ｂに力３５０を印加することによって２つのウェハを共に圧縮することを含む。図１に示すように、力３５０は通常、ピストンタイプの機構を用いてウェハスタック（wafer stack：ウェハ積層体）３０２の中心に印加される。他の実施形態では、力３５０をウェハスタック３０２の周縁に印加してもよいか、又は第２の力を第２のウェハ３２０の第２の表面３２０ｂに力３５０と同時に印加してもよい。接合界面３０５に沿う変位の有限要素解析（ＦＥＡ）を図２Ａに示す。力３５０が印加されている中心エリア３０１の真下に「高温圧力スポット（hot pressure spot：高温圧力を示す点）」の形成を見ることができる。中心エリア３０１の真下にある第１の球面エリア３０２は、およそ３０μの変位を有する。エリア３０２の真下には、変位がおよそ２μ〜３μである別の球面エリア３０３があり、エリア３０３の真下には、変位が１μの範囲であるエリア３０４がある。「高温圧力スポット」の球面フロント（spherical front：球状の最前部）が接合界面３０５に下方に伝播しており、中心領域３０６を縁領域３０７よりも湾曲させている。上記のように、接合界面にわたる圧力の不均一性は５０％にまで達し得る。ＦＥＡのミーゼス応力を図２Ｂに示す。中央領域３０６と周縁領域３０７との間の応力のばらつきの原因となる、接合界面３０５に下方に伝播する球面応力フロントが再び見える。エリア３０８、３０９及び３１１は、およそ１００の安全率（ＦＯＳ）、５０ＦＯＳ及び１０ＦＯＳの応力をそれぞれ有する。
【００１２】
図３を参照すると、本発明によるウェハ接合システム４００において、第１の表面４１０ａを有する第１のウェハ４１０が、第１の表面４２０ａを有する第２のウェハ４２０と、２つの表面４１０ａ及び４２０ａが互いに対向するように接触している。ウェハ接合プロセスは、第１のウェハ４１０の第２の表面４１０ｂに「力柱」４５０を印加することによって２つのウェハを共に圧縮することを含む。力柱４５０は、第１の半導体ウェハ４１０の第２の表面４１０ｂ全体をカバーするような寸法になっているベースを有する円柱状に構成されている複数の力を含み、第１のウェハ４１０の第２の表面４１０ｂ全体に均一な圧力を印加すると共にウェハスタック３０２の接合界面４０５に均一な圧力を伝達するように構成されている。他の実施形態では、図５に示すように、第２の力柱４６０を第２のウェハ４２０の第２の表面４２０ｂに力柱４５０と同時に印加してもよい。一例では、力柱４５０は、加圧気体柱（gas column：円柱状に吹き付ける気体）であり、２００ｍｍのウェハに対しておよそ９０ｋＮの力を印加する。この力は、約２９０００ｍｂａｒの圧力を生成する。接合界面４０５に沿う変位の有限要素解析とミーゼス応力の有限要素解析とをそれぞれ図４Ａ及び図４Ｂに示す。均一な変位を有する層４０１、４０２及び４０３と、接合界面４０５の中心領域４０６及び周縁領域４０７間にばらつきを有しない均一な応力領域４０４とが見える。いくつかの実施形態では、表面４１０ａ、４２０ａは、２つのウェハ表面４１０ａ、４２０ａ間の特有のタイプの接合を促進するように構成されている接合層４１２、４２２をそれぞれ有する。接合層４１２、４２２は、格子構造体、金属、ガラス、半導体構造体、絶縁体、集積デバイス、接着剤、又は任意の他の接合促進材料若しくは構造体とすることができる。システムは、ウェハ同士を接合するための、陽極接合プロセス、共昌接合プロセス、接着接合プロセス、溶融接合プロセス、ガラスフリット接合プロセス及び熱圧着接合プロセスを含む任意の望ましい基板接合プロセスを実行するように設計されている。したがって、システムは、特に基板温度、接合圧力及びチャンバ雰囲気を含む接合動作パラメータを制御するのに適したコントローラを有する。他の実施形態では、システム４００は、特に、フラットパネル構造体、集積回路デバイスを含む任意のタイプの半導体構造体又は材料の接合、マイクロエレクトロニクスの３次元集積、及びマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）の包装に使用される。
【００１３】
図６〜図１４を参照すると、接合（bond）装置（接合形成器具ともいう）１０は実質的にクランプとして動作する。装置１０は、「位置付ける器具」として機能する対向するクランピングブロック（この実施形態では、上側ブロックアセンブリ２０及び対向する下側ブロックアセンブリ２２）を有する。下側ブロックアセンブリ２２は、１つ又は複数のウェハを上に保持するチャック２１を有する。図３に示すように、１つ又は複数のウェハ４１０、４２０の１つ又は複数のスタック４３０は、装置１０のウェハチャック２１上に位置付けられる。下側ブロックアセンブリ２２は底部プレート５６によって支持され、上側ブロックアセンブリは上部プレート５３によって支持される。底部プレート５６及び上部プレート５３は、支柱４２に可動に接続される。この実施形態では、下側ブロックアセンブリ２２及び底部プレート５６は、ウェハ（複数可）／スタック（複数可）を実質的に上側ブロックアセンブリ２０の支圧面（bearing surface）２３Ｓに運ぶか又はほぼ接触させるようにＺ方向に沿って上方に移動する。この近接位置に達すると、底部プレート５６の位置、上部プレート５３の位置及び上側ブロックアセンブリ２０の位置が固定され、下側ブロックアセンブリ２２がウェハスタック４３０に所望の高い接合圧力を印加するように矢印Ｐ１の方向に沿って上側ブロックアセンブリ２０へ上向きに移動する。一例では、所望の接合圧力は、２００ｍｍのウェハスタックに対して９０ｋＮであるか、又は３００ｍｍのウェハスタックに対して１００ｋＮである。代替的な実施形態では、上側ブロック２０、又は上側ブロック２０及び下側ブロック２２の両方は、ウェハスタック（複数可）４３０に所望の高い接合圧力を印加するように共に移動し、界面接触するウェハ表面４１０ａ、４２０ａ間で接合を行う。さらに以下に詳述するように、上側ブロックアセンブリ２０及び下側ブロックアセンブリ２２は、ウェハ接合界面４０５のエリアにわたって実質的に均一に（すなわち、著しい圧力のばらつきを伴わずに）、且つ界面において実質的にいかなる剪断応力も引き起こさずに（例えば、ウェハの接合界面における剪断応力が実質的にゼロ）高い接合圧力を伝達する。上記の接合圧力を結果としてもたらす、上側ブロックアセンブリ２０及び下側ブロックアセンブリ２２の荷重分布は、各耐荷（load bearing）部材に荷重を与える実質的に真の柱であり、これは、装置の他の部分と同様に上側ブロックアセンブリ及び下側ブロックアセンブリに撓みを引き起こす荷重偏心及び曲げモーメントを実質的になくす。荷重の均一性及び再現性は、装置の耐荷部材としてチャンバハウジング１２を実質的に通って延びる（bypasses）、装置１０の構造の骨格１６によって与えられる。接合界面４０５に対する荷重の均一性は、それぞれ上側ブロック２０及び下側ブロック２２のウェハ支圧面２３Ｓ、２１Ｓを実質的に水平に又は互いに平行に維持するレベリングシステム８２を有する装置１０によってさらに確立され、下側ブロックアセンブリ及び上側ブロックアセンブリによって、ウェハスタック４３０の接合界面４０５に実質的に垂直な接合力が印加されることを確実にする。またさらに後述されるように、上側ブロックアセンブリ２０及び下側ブロックアセンブリ２２は、例示的な実施形態では、それぞれヒータ３０、３２（又はウェハ接触面２３Ｓ、２１Ｓの熱循環のためのサーマルサイクラー）を含み、これらはそれぞれ、耐荷、真空分離システム（load bearing, vacuum isolation system）７０、７２によって装置構造から熱分離される。耐荷、真空分離システム７０、７２は、望ましくない熱漏れをなくすと共に、（上側と下側とで釣り合っている（commensurate）高速サイクル時間性能を有する）熱循環部分の熱質量（したがって慣性（inertia））を減らしながら、最適な熱分離性能を提供する上、所望の荷重（例えば、例示的な実施形態では接合圧力荷重）を支持することができる。いくつかの実施形態では、ヒータ３０、３２は、２つ以上の加熱ゾーンを有することができる。図１８を参照すると、ヒータ３２は、ウェハの中心領域を加熱するように構成されている第１の加熱ゾーン３２Ｂと、ウェハの周縁を加熱するように構成されている第２の加熱ゾーン３２Ａとを含む。加熱ゾーン３２Ａは、接合界面４０５全体を通して熱均一性を達成すると共にウェハスタックの縁における熱損失を緩和するために、加熱ゾーン３２Ｂから独立して制御される。
【００１４】
装置１０は、任意の適したタイプ及びサイズのウェハ又は基板４１０、４２０を接合することができる。例えば、基板４１０、４２０は、１００ｍｍ、２００ｍｍ又は３００ｍｍの直径の半導体基板とすることができる。図３に示す実施形態では、ウェハ４１０、４２０は互いに実質的に同様である。代替的な実施形態では、スタック４３０は、種々のタイプ又は種々のサイズのウェハを含んでもよい。スタック４３０が、例示の目的のために、２つのウェハ４１０、４２０を有するものとして図３に示されている。なお、スタック４３０は、共に接合される任意の所望の数のウェハを含んでもよい。接合される表面４１０ａ、４１０ｂは、それぞれ接合層４１２及び４２２を含んでもよく、且つ接合層４１２、４２２は、特に、金属、格子構造体、半導体構造体、絶縁体、接着剤又はガラスであってもよい。
【００１５】
図６〜図１４をさらに詳細に依然として参照すると、接合（bond）装置（接合形成器具ともいう）１０はチャンバ１２を含む。チャンバ１２は、不活性ガスのような制御された雰囲気を有するように閉鎖されているか、若しくは他の方法で構成されているか、又は図７に示すようにターボポンプシステム１６１を用いて真空状態に保持されている。代替的な実施形態では、装置はチャンバを含まなくてもよい。図７に見られるように、チャンバ１２はアクセスポート１４を含む。アクセスポート１４は、図９Ａに示すように、キャリヤ締結具２４のチャンバ１２内への配置及び当該チャンバ１２からの取り出しを可能にするようなサイズになっている。いくつかの実施形態では、図７に示すように、予装填チャンバ１５がポート１４を通じてチャンバ１２と連通している。ポート１４は所望であれば、ポートを閉鎖する扉（図示せず）を有する。排気されるチャンバ１２内にウェハスタックを装填するためにはまず、ポートの扉を閉鎖し、予め位置合せされているウェハ４１０、４２０を有するキャリヤ締結具２４を予装填チャンバ１５内に配置する。次に、予装填チャンバ１５を排気した後、ポートの扉を開放し、予め位置合せされているウェハ４１０、４２０を有するキャリヤ締結具２４をチャンバ１２内に配置する。その後、ポートを再び閉鎖する。接合されたウェハを取り出すためには、予装填チャンバ１５を排気した後、ポートの扉を開放し、接合されたウェハ４１０、４２０を有するキャリヤ締結具２４をチャンバ１２から取り出し、ポートの扉を再び閉鎖する。キャリヤ締結具２４は、予め位置合せされているウェハスタック４３０を保持する。図１６に示すように、キャリヤ締結具２４をチャンバ１２内に出し入れするように移動させるのに、自動であるか又は他の方法で手動で動作する搬送アーム又はスライドのような搬送デバイス４８０を使用する。一実施形態では、図１７Ａに示すように、キャリヤ締結具２４は円形状のリング２８０であり、円形リングの周縁に１２０度で離間して対称的に配置されている３つのスペーサ及びクランプアセンブリ（spacer and clamp assemblies）２８２ａ、２８２ｂ、２８２ｃを含む。各スペーサ及びクランプアセンブリ２８２ａ、２８２ｂ、２８２ｃは、スペーサ２８４及びクランプ２８６を含む。スペーサ２８４は、第１のウェハ４１０及び第２のウェハ４２０を所定の距離にセットするように構成されている。２つのウェハ間に異なる間隔をセットするのに異なる厚さを有するスペーサを選択することができる。スペーサがウェハ間に挿入されると、クランプが２つのウェハの位置を固定するように下方に締め付けられる。各スペーサ２８４及び各クランプ２８６は、それぞれリニアアクチュエータ２８３及び２８５によって独立して作動される。接合プロセスのために、位置合せされている４１０、４２０をキャリヤ締結具２４内に配置し、スペーサ２８４によって離間し、次いでクランプ２８６によって下方に締め付ける。締め付けられたウェハを有する締結具を接合チャンバ１２内に挿入し、次いで各クランプを１つずつ緩め（unclamped）、スペーサを取り除き、次いで再び締め付ける。全てのスペーサを取り除くと、接合プロセスを容易にするように、ウェハは再び締め��けられ、空気圧制御式のセンターピン（center pin：心軸）２９０によって２つのウェハを共に固定し、次いで、力柱４６０を印加する。ウェハは、自動的に又は手動で調整可能である力を用いて共に固定される。
【００１６】
図８に示すように、上側ブロック２０及び／又は下側ブロック２２のうちの少なくとも一方がチャンバ１２内に可動に保持される。図８に示す実施形態では、上側ブロック２０及び対向する下側ブロック２２が垂直締め付け構成（vertical clamping configuration：垂直クランピング構成）で示されている。代替的な実施形態では、対向する上側ブロック２０及び下側ブロック２２は、水平締め付け構成を含む任意の他の所望の締め付け方向に配置される。例示的な実施形態では、図６に示すように、上側ブロックアセンブリ２０は固定され、下側ブロックアセンブリ２２は矢印Ｐ１によって指示されている向きに沿って可動である。下側ブロックアセンブリ２２はまた、本明細書でｚドライブ（z-drive：z方向駆動装置）と呼ぶ適した駆動装置１００によって（図６に示すように）Ｚ方向に沿って底部支持プレート５６と共にユニットとして移動する。例示的な実施形態では、下側ブロック２２は可動部分２２Ｍを有し、当該可動部分は、後述するように、適したアクチュエータ５２によってｚドライブ１００から独立して、矢印Ｐ１によって指示されている方向に移動することができる。例示的な実施形態では、ｚドライブ１００は、下側ブロックアセンブリ２２に支持プレート５６との一体的な移動（gross motion）を提供し、アクチュエータ５２は、接合のために下側ブロックアセンブリ２２の可動部分２２Ｍを移動させる。代替的な実施形態では、ｚドライブ１００は、指示されているＺ方向とは反対の方向に下方に上側ブロックアセンブリ２０を移動させる。上側ブロック２０及び下側ブロック２２は、対応する座面（seating surface）２３Ｓ、２１Ｓを有する。上側ブロックアセンブリ２０及び下側ブロックアセンブリ２２、並びに座面２３Ｓ、２１Ｓは、ウェハスタックに対して適した接合圧力を生成するのに所望されるようなサイズになっている。上記のように、且つ後述するように、座面２３Ｓ、２１Ｓは熱制御を有する（すなわち、加熱及び／又は冷却されることができる）。熱制御は、任意の適したサーマルコントローラによって提供される。一例では、座面２１Ｓ、２３Ｓは、ＳｉＣ（炭化ケイ素）のような適度に硬質な材料から成る。
【００１７】
次に図７及び図８も参照すると、チャンバ１２は、チャンバの内部を外部から分離することができるように実質的に閉鎖されるケーシング又はシェル（shell：殻体）１６を実質的に備える。示す例示的な実施形態では、ケーシング１６は、実質的に環状のものであるが、代替的な実施形態では、ケーシングは任意の所望の形状を有してもよい。チャンバケーシング１６は、骨格フレーム又は支持フレーム４０によって所望の下部構造体又は基礎構造体１８から支持される。下部構造体１８は、任意の所望のタイプ及び形状から成り、例示の目的のために、チャンバ１２の下に位置する実質的に平坦なプレート１８として示されている。下部構造体１８は、実質的に剛性であり、代替的な実施形態では、チャンバに対して任意の所望のサイズ、形状及び位置を有してもよい。装置１０の骨格フレーム４０は実質的に剛性の部材を有し、当該部材は、ケーシング１６に取り付けられると共に、ケーシング１６を担持する下部構造体１８に結合される。接合力を印加している間の上側ブロックアセンブリ２０及び下側ブロックアセンブリ２２に対する反応が、チャンバケーシング１６ではなく、骨格フレーム４０に分散するように、骨格構造体４０は、装置１０の上側ブロックアセンブリ２０及び下側ブロックアセンブリ２２にも取り付けられる。例示的な実施形態では、骨格フレーム４０は、チャンバ１６の外部に配置される、実質的に外骨格フレーム（exoskeletal frame）である。代替的な実施形態では、骨格フレーム４０は、所望であれば、チャンバ内に配置される内骨格フレーム（endoskeletal frame）としてもよい。例示的な実施形態では、骨格フレーム４０は、実質的に剛性の支柱４２を備える（例示の目的のために３つの支柱が示されているが、任意の所望の数の支柱を使用してもよい）。支柱４２の一端が下部構造体１８に固定される（anchored）。支柱４２は、ケーシング１６の周囲に実質的に等間隔に分散される。支柱４２のサイズ及び形状は、所望の剛性を得るように選択される。骨格フレーム４０はまた、上部取り付けプレート４６を含んでもよい。図７に最も良く示されるように、取り付けプレート４６は、溶接、蝋着又はメカニカルファスナのような任意の所望の取り付け手段によってケーシング１６に取り付けられる。代替的な実施形態では、ケーシング１６及び取り付けプレート４６は一体的な部材として形成してもよい。取り付けプレート４６は実質的に剛性の部材である。プレート４６の剛性は、接合押圧によって加わる反応荷重に少なくとも応じて、支柱４２を含む骨格フレーム４０の残りの剛性と実質的に釣り合うものである。代替的な実施形態では、ケーシング１６と、チャンバ１２内の他の接合押圧構成要素とを骨格フレームに取り付ける取り付けプレート４６は、任意の他の所望の形状を有してもよい。図８に最も良く示されるように、支柱４２は、取り付けプレート４６の他端に取り付けられる。各支柱４２と取り付けプレート４６との接続部４４は、ベースプレート１８の方へ且つ当該ベースプレート１８から離れる方向に支柱４２の軸に沿って軸方向荷重を支持することができる双方向であり得る。各支柱の接続部４４は、接合押圧中にチャンバ及び装置の構成要素からの静荷重と、静荷重及び動荷重との両方の下で各支柱４２の実質的に均一な荷重を確実にするように、（支柱の軸に沿って上下両方に）調整可能である。例示的な実施形態では、接続部４４は、取り付けプレート４６との界面の両側において実質的に対称である。接続部４４は、係合部材４４Ｅ（例えば、ねじ山付きアーム）を含んでもよく、当該係合部材は、支柱４２を（例えば、ポジティブ係合面（positive engagement surface）又は締め付けによって）係合すると共に、取り付けプレートからの荷重に耐える支圧面を有する。接続部４４は、取り付けプレートから、係合部材４４Ｅの支圧面への均一な荷重分布を確実にするために支圧要素を含んでもよい。代替的な実施形態では、チャンバのケーシングを担持する骨格フレーム４０の支柱４２と取り付けプレート４６との間の接続、及び接合押圧は、任意の適した構成を有してもよい。例示的な実施形態では、接合動作中に支柱４２の望ましくない変位をなくすために、（例えば、係合部材４４Ｅにトルクを与えることによって）接続部４４に予圧を与えてもよい。
【００１８】
図８に最も良く示されるように、且つ上記のように、例示的な実施形態では、上側ブロックアセンブリ２０及び下側ブロックアセンブリ２２は、骨格フレーム４０に取り付けられる。上側ブロックアセンブリ２０は、以下にさらに詳述するように、スパン支持構造体（span support structure）５３によって骨格フレーム４０に取り付けられる。上側ブロックアセンブリ２０からの接合押圧荷重を含む静荷重及び動荷重は、スパン構造体５３によって実質的に全て支持され、スパン構造体５３によって取り付けプレート４６を介して支柱４２に分散する。下側ブロックアセンブリ２２は、シート構造体（seat structure）５６を介して支柱４２に取り付けられる。示す例示的な実施形態では、シート構造体５６は実質的に、スパン（span：スパン構造体）５６Ｓと、ブロック支持シート（block support seat：ブロック支持シート構造体）５６Ｔとを有する。代替的な実施形態では、下側ブロックを支持するシート構造体は、任意の他の所望の構成を有してもよい。代替的な実施形態では、例えばプレートとして示されているが、任意の他の所望の形状を有することができるスパン構造体５６Ｓは、リニアスライド４３によって支柱４２に取り付けられる。したがって、例示的な実施形態では、シート構造体５６、したがって下側ブロックアセンブリ２２は、矢印ｚによって指示されている方向（ｚ方向）に移動することができる。支柱４２は、下側ブロックのｚ方向の移動（z movement）のためのガイドとして作用することができる。図８に示す例示的な実施形態では、任意の適した駆動装置（例えば、電気式リニア駆動装置、空気圧式駆動装置、油圧式駆動装置等）とすることができるｚドライブ１００は、スパン構造体５６Ｓに接続され、シート構造体５６と下側ブロックアセンブリ２２とをユニットとしてｚ方向に移動させることができる。ｚドライブ１００は、下部構造体１８に取り付けることができる。図８に見えるように、支持シート５６Ｔは下側ブロックアセンブリ２２に接続される。例示的な実施形態では、支持シート５６Ｔは実質的にケーシング１６内に延びる。（示す例では、ケーシングのクロージャプレート１６Ｐに取り付けられている）ケーシング１６と、支持シート５６Ｔとの間にあるベローズシール１６Ｓは、チャンバの内部を分離すると共に、シート構造体５６及び下側ブロックアセンブリ２２のｚ方向の移動（motion）に対応する。図８に示すシート構造体５６は単に例示であり、代替的な実施形態では、当該構造体は任意の所望の構成を有してもよい。例示的な実施形態では、シート構造体５６は、下側ブロックアセンブリ２２の底部と係合するシート面（seat surface）５８を有する。
【００１９】
図８に最も良く示されるように、下側ブロックアセンブリは、ウェハ支持面２１Ｓと、ヒータ（又はサーマルサイクラー）３２と、フランジ３６と共にチャック２１を実質的に含む。ヒータ３２は、フランジ３６によって支持される。ヒータ３２は、さらに後述する、耐荷、真空分離システム７２によってフランジ３６から熱分離される。フランジ３６は、温度調節器（例えば、水冷却システム）によって所望の定常温度に維持される。チャック２１は、ウェハ支持面２１Ｓ、したがって当該面に載る（seat）ウェハがヒータ３２によって加熱されるように、ヒータ３２に接続される。チャック２１、ヒータ３２及びフランジ３６は、ブロックアセンブリ２２の可動セクション２２Ｍを形成する。可動セクション２２Ｍは、図９に示すように、ブロックアセンブリ２２のベースセクション２２Ｂに対して方向Ｐ１に可動である。例示的な実施形態では、ブロックアセンブリ２２は、ｚドライブの移動から独立して可動部分２２Ｍを作動させ、且つブロックアセンブリ２２の座面２１Ｓにわたって実質的に均一に分布する力柱を生成するアクチュエータ５２を含む。例示的な実施形態では、アクチュエータ５２は加圧気体によって駆動するが、代替的な実施形態では、アクチュエータは、ウェハ座面にわたって実質的に均一に分布する力柱を生成することができる油圧式手段又は磁気手段によって駆動してもよい。図８に示す例示的な実施形態では、アクチュエータ５２は、可動プレート部材５４と、ベース部材又は反応部材５５とを有する。この実施形態では、ベース部材５５は、シート構造体５６の表面５８に載せて固定される。図１３に示すように、ベローズシール５２Ｂは、アクチュエータ５２のプレート部材５４とベース部材５５とを結合し、チャンバの内部からアクチュエータを分離する。なお、所望の気体（例えば、洗浄空気又は不活性ガス、Ｎ２）が作動のためにプレート部材５４とベース部材５５との間に導入される。気体の圧力は、ウェハスタックを接合するために所望の高い圧力（例えば、２００ｍｍのウェハに対して約９０ｋＮ又は３００ｍｍのウェハに対して約１００ｋＮ）を達成するように制御される。プレート部材５４は、例示的な実施形態では、プレート面５４Ｆとウェハ支持面との間に、ウェハ支持平面に実質的に垂直である荷重を与える実質的に均一な力柱を提供するために、チャック２１のウェハ支持面２１Ｓと（例えば形状、サイズが）実質的に同様であると共にこれと平行に位置合せされる圧力面（pressure face surface）５４Ｆを有する。図１３に示すように、接合圧力は圧力計２９５によって監視される。いくつかの実施形態では、圧力面５４Ｆのサイズは、種々のサイズのウェハに対応するために手動機構又は自動機構を介して調整される。なお、アクチュエータによるウェハ支持面に対する荷重の直交性（orthogonality）は、プレート圧力面とウェハ支持面との平坦性及び平行性を制御することによって容易に達成することができる。
【００２０】
図９に示すように、例示的な実施形態における下側ブロック２２は、上側ブロックアセンブリ２０のウェハ座面２３Ｓと共に下側ブロックアセンブリのウェハ支持面２１Ｓを水平にするレべリングシステム８２も含む。例示的な実施形態では、プレート部材５４、したがって下側ブロックアセンブリ２２の可動セクション２２Ｍは、レベリングシステム８２によって制御されるとき以外はベース５５に対して気体層に載っており、ベース５５から離れて位置している（positionally decoupled：位置決め可能に離される）。例示的な実施形態では、レベリングシステム８２は、図１２に示すように、リニアガイド部分８４と、回転ガイド部分又はジンバル部分８６とを含む。リニアガイド部分４８は、ウェハ支持面２１Ｓの行程が（横方向の移動を全く伴わずに）矢印Ｐ１によって指示されている方向に実質的に軸方向であるように、可動ブロックセクション２２Ｍの移動を案内する。回転ガイド部分８６は、ウェハ支持面２１Ｓが移動せずにウェハ接合界面４０５の中心に対応する（図１０に示す）中心点８５を中心として回転し且つ／又は傾くことができるように可動部分２２Ｍの運動を案内する。レベリングシステム８２は、自律式／自動であってもよいか、又は所望であれば手動で動作してもよい。例示的な実施形態では、リニアガイド部分８４は、図１３に示すように、リニア軸受アセンブリ８４Ｂにおいて可動に支持されるガイドロッド８４Ｒを含む。図１３に示すように、ガイドロッド８４Ｒはプレート部材５４に接続される。代替的な実施形態では、リニアガイド部分８４は任意の他の所望の構成を有してもよい。図１３に示すように、例示的な実施形態では、リニア軸受アセンブリ８４Ｂは、半球形の軸受アセンブリによって画定されるジンバル８６に嵌合している。半球形の軸受面の半径は、接合界面中心８５から延びる。ジンバル８６は、支持シート５６Ｔに取り付けることができる。代替的な実施形態では、ジンバル部分は任意の他の所望の構成を有してもよい。さらに他の代替的な実施形態では、リニアガイド部分及びジンバル部分は、任意の他の所望の配置で嵌合していてもよい。図１３に見えるように、レベリングシステム８２は接合動作中に、アクチュエータ５２、又は下側ブロックアセンブリの任意の他の部分がリニアガイド部分８４及びジンバル部分８６に荷重を与えないように位置付けられる。例示的な実施形態では、ジンバル部分８６は、軸受面を固定及び固定解除するために予圧を与えられている。予圧は、任意の所望の予圧システムタイプ、例えば、気圧又は油圧、機械圧力又は電気機械圧力を軸受面に印加することによって達成することができる。予圧システムは、適したコントローラ（図示せず）によって制御可能であってもよいか、又は所望の固定された限界に設定されてもよい。レベリングシステム８２は、上側ブロックアセンブリに対する下側ブロックアセンブリの動的レベリングを可能にする。これは、上部アセンブリ及び底部アセンブリが平行でないとき、又はウェハスタックが楔形である場合に起こる過剰な拘束状態をなくす。軸受自体は接合荷重を受けず、回転の中心は、起こる任意の回転がウェハのずれを起こさないようにウェハの平面にある。
【００２１】
図２０を参照すると、別の実施形態では、レべリングシステム８２は、アクチュエータ５２の荷重を支持すると共に接合荷重に耐えるように位置付けられている。ジンバル部分８６は、固定プレート５５の下に位置付けられ、固定プレート５５、可動プレート５４、並びに上に載っているフランジ３６、熱分離システム７２、ヒータ３２、チャック２１及びウェハ（図示せず）を支持する。この実施形態では、印加される力柱のベースのサイズが様々なサイズのウェハに対応するように調整される。固定プレート５５は、ベローズシール５２Ｂを含む（with）縁と、ピストン又はゾーンシール５２Ｚ１及び５２Ｚ２を含む選択可能な中間位置とで可動プレート５４を封止する。ベローズシール５２Ｂと、中間ゾーンシール５２Ｚ１及び５２Ｚ２との封止位置は、接合する必要があるウェハスタックのサイズに基づいて、且つ印加する力柱のベースエリアを確定するように選択する。選択されたシール間の封止された領域に加圧気体を充填する。一例では、縁にあるベローズシール５２Ｂの位置は、８インチ（約２０．３２ｃｍ）のウェハ、ゾーンシール５２Ｚ１は６インチ（約１５．２４ｃｍ）のウェハを接合するように、及びゾーンシール５２Ｚ２は４インチ（約１０．１６ｃｍ）のウェハを接合するように選択される。
【００２２】
次に図１４も参照すると、上記のように、下側ブロックアセンブリは、ヒータを支持しているブロックアセンブリの嵌合部分からヒータ３２を熱分離する熱分離システム７２を有する。同様に上記のように、例示的な実施形態では、熱分離システムは、耐荷真空分離システムである。図１３に見えるように、分離システム７２は、荷重経路を横切ってアクチュエータ５２からウェハ支持面２１Ｓに位置付けられる。したがって、熱分離システム７２は接合圧力荷重を支持する。図１４に見えるように、システム７２は、プレート７８とダイヤフラム７６との間に閉じ込められる耐荷真空層（load-bearing vacuum layer）を実質的に備える。ダイヤフラム７６は、耐荷領域の外部にあるベローズ７４を介してプレート７８に接続されている。ダイヤフラム７６は、Ｉｎｃｏｎｅｌ（商標）のような任意の適した材料から成ることができ、且つ任意の適した手段、例えば溶接によってベローズ７４の開放端に接続されることができる。図１４に見えるように、ベローズ７４はブロックアセンブリの耐荷部分の外部に配置され、ダイヤフラム７６は耐荷部分内に位置付けられる。ダイヤフラム７６は、低い熱膨張率（ＣＴＥ）を有する材料を含むプレート７８によって支持される。一例では、プレート７８は、Schott AGによって製造されているガラスセラミック「Ｚｅｒｏｄｕｒ」（商標）から成る。プレート７８は、図１５に示すように、接合している間に圧縮荷重に耐えるために、十分な強度を有しながらもダイヤフラム７６の接触エリアを最小限にするように形成される表面７８Ｓを有する。この構造体７２は、熱伝達を最小限にするために連続的に排気される。上記のように、ダイヤフラムとの接触エリアを最小限にするために、例えば機械加工することによって、又は任意の他の適した形成プロセスによって表面７８Ｓは形成されるため、これによって、ダイヤフラム７６と低いＣＴＥの材料層７８との間の熱接触エリアが限定され、小さくなる。なお、低いＣＴＥの材料層７８はまた、低い熱伝導率を有してもよい。図１５に示す例示的な実施形態では、接触面７８Ｓは、ダイヤフラム７６と接触する隆起した突起を有する。突起は、図１５に概略的に示されており、任意の適した形状を有することができる。例えば、突起は、ダイヤフラムと接触する側が先細になっている断面を有してもよい。突起の数及びサイズは、ダイヤフラム／低いＣＴＥの材料層界面にわたって所望の荷重用量及び伝熱特性を達成する必要に応じたものとすることができる。なお、分離システム７２によってもたらされる断熱（thermal break）は、ヒータ３２、チャック２１及びウェハスタック４３０の急速な熱循環を可能にする。
【００２３】
図８を再び参照すると、例示的な実施形態では、上記のように、上側ブロックアセンブリ２０は下側ブロックアセンブリ２２と実質的に同様である。例示的な実施形態では、上側ブロックは、スタック接合のために制御された水平面（control level surface）を提供し、レべリングシステム８２は、上記のように、下側ブロックアセンブリのウェハ支持面２１Ｓを上側ブロックアセンブリのウェハ支持面２３Ｓに平行にする（level）ように動作する。代替的な実施形態では、上側ブロックアセンブリ２０は、統合されたレベリングシステムを有してもよい。この実施形態では、上側ブロックアセンブリ２０は可動でない。他の実施形態では、上側ブロックアセンブリ２０は、ブロックアセンブリ２２と同様に（下側ブロックのヒータ３２及びフランジ３６と同様の）チャック２３、ヒータ３０及び支持フランジ３４を含む可動部分２０Ｍを有することができ、当該可動部分は、アクチュエータ５０によって矢印Ｐ１によって指示されている方向に作動する。図８に見えるように、例示的な実施形態では、耐荷真空熱分離システム７０は、上記のシステム７２と同様に、ヒータ３０とフランジ３４との間の断熱を画定する。代替的な実施形態では、アクチュエータ５０はまた、アクチュエータ５２と同様であってもよい。アクチュエータ５０は、図１６に示すように、プレート部材５７と、ベローズシール５３Ｂによってプレート部材に結合されている反応部材又はベース部材５５とを有してもよい。例示的な実施形態では、ベローズシール５３Ｂは、可動部分２０Ｍを静的状態でベース部材５５から支持するように構成されている。アクチュエータ動作中のプレート部材の変位の改善された制御を提供するために静的状態の間にベローズ５３Ｂに予圧を与える予圧ブロック５９を設けてもよい（例えば、予圧ブロックが上側ブロックアセンブリの可動部分の重量に起因するベローズのばね力に抗する）。図８に見えるように、例示的な実施形態では、アクチュエータのベース部材５１が、接続セクション１０２によってスパン部材５３に接続されると共に当該スパン部材５３から支持されている。接続セクション１０２は、伸張を実質的に全く伴わずにベース部材５１とスパン部材５３との間にｚ方向の移動による荷重（z loards）を伝達するために、軸ｚにおいて実質的に剛性である。接合プロセス中は、接続セクション１０２は、固定された接続部（pinned connection）として作用するため、接合によるモーメントを伝達することができない。図８に示す例示的な実施形態では、接続セクション１０２は、一端１０３をベース部材５５に結合されている環状シェル又は壁１０２ｗを含む。壁１０２Ｗは、スパン部材５３との間に延びると共に当該壁１０２Ｗをスパン部材５３に結合するフランジ１０６を有する。フランジ１０６は、壁１０２ｗ又はスパン部材５３と一体形成してもよい。フランジの厚さは、フランジとスパン部材との界面においてスパン部材の厚さと同様である。フランジ１０６は、スパン部材５３と一体形成される場合、任意の所望の方法（例えば溶接）で壁１０２Ｗに結合されるか、又はその逆である。フランジ１０６は、壁１０２ｗをスパン部材５３からずらすように作用するため、スパン部材５３の結合部に対する壁１０２ｗの曲げ剛性を減少させ、且つ壁１０２ｗがアクチュエータのベース部材５１とスパン部材５３との間に接合荷重を伝達することを実質的に不可能にする。なお、これは、ウェハスタックをチャンバ内で接合するためにアクチュエータが加圧されるときにベース部材５１が実質的に平坦なままであることを可能にする。
【００２４】
本発明のいくつかの実施形態を説明した。しかしながら、本発明の精神及び範囲から逸脱せずに種々の変更がなされることが理解されるであろう。したがって、他の実施形態も添付の特許請求の範囲内にある。 
【符号の説明】
【００２５】
１０      接合（bond）装置
１００    任意の適した駆動装置（例えば、電気式リニア駆動装置、空気圧式駆動装置、油圧式駆動装置等）とすることができるｚドライブ
１０２    接続セクション
１０２ｗ  環状シェル又は壁
１０２Ｗ  壁
１０２ｗ  壁
１０３    一端
１０６    フランジ
１２      チャンバ
１２      チャンバハウジング
１４      アクセスポート
１４      ポート
１５      予装填チャンバ
１６      チャンバケーシング
１６      チャンバの内部を外部から分離することができるように実質的に閉鎖されるケーシング又はシェル（shell：殻体）
１６      装置１０の構造の骨格
１６１    ターボポンプシステム
１６Ｐ    ケーシングのクロージャプレート
１６Ｓ    ケーシング１６と支持シート５６Ｔとの間にあるベローズシール
１８      チャンバ１２の下に位置する実質的に平坦なプレート
１８      ベースプレート
１８      下部構造体
１８      下部構造体又は基礎構造体
２０      上側ブロック
２０      上側ブロックアセンブリ
２０Ｍ    可動部分
２１      チャック
２１Ｓ    ウェハ支持面
２１Ｓ    チャック２１のウェハ支持面
２１Ｓ    ブロックアセンブリ２２の座面
２１Ｓ    下側ブロックアセンブリのウェハ支持面
２２      下側ブロック
２２      下側ブロックアセンブリ
２２Ｂ    ブロックアセンブリ２２のベースセクション
２２Ｍ    ブロックアセンブリ２２の可動セクション
２２Ｍ    下側ブロックアセンブリ２２の可動セクション
２２Ｍ    可動ブロックセクション
２２Ｍ    可動部分
２３      チャック
２３Ｓ    上側ブロックアセンブリ２０のウェハ座面
２３Ｓ    上側ブロックアセンブリ２０の支圧面（bearing surface）
２３Ｓ    上側ブロックアセンブリのウェハ支持面
２３Ｓ、２１Ｓ    上側ブロック２０及び下側ブロック２２のウェハ支圧面
２３Ｓ、２１Ｓ    対応する座面（seating surface）
２３Ｓ、２１Ｓ  ウェハ接触面
２４      キャリヤ締結具
２８０    円形状のリング
２８２ａ、２８２ｂ、２８２ｃ  円形リングの周縁に１２０度で離間して対称的に配置されている３つのスペーサ及びクランプアセンブリ（spacer and clamp assemblies）
２８３及び２８５  リニアアクチュエータ
２８４    スペーサ
２８６    クランプ
２９０    空気圧制御式のセンターピン（center pin：心軸）
２９５    圧力計
３０      ヒータ
３０、３２    ヒータ
３００    従来技術のウェハ接合システム
３０１    中心エリア
３０２    ウェハスタック
３０２    第１の球面エリア
３０２  （wafer stack：ウェハ積層体）ウェハスタック
３０３    別の球面エリア
３０４    変位が１μの範囲であるエリア
３０５    接合界面
３０６    中心領域
３０７    縁領域
３０７    周縁領域
３０８、３０９及び３１１  エリア
３１０    第１のウェハ
３１０ａ  第１の表面
３１０ｂ  第２の表面
３１２    接合層
３２      ヒータ
３２      ヒータ（又はサーマルサイクラー）
３２０    第２のウェハ
３２０ａ  第１の表面
３２０ｂ  第２の表面
３２２    接合層
３２Ａ  ウェハの周縁を加熱するように構成されている第２の加熱ゾーン
３２Ｂ  ウェハの中心領域を加熱するように構成されている第１の加熱ゾーン
３４      フランジ
３４      支持フランジ
３５０    力
３６      フランジ
４０      骨格フレーム
４０      骨格フレーム又は支持フレーム
４０      骨格構造体
４０      装置１０の骨格フレーム
４００    ウェハ接合システム
４００    システム
４０１、４０２及び４０３  均一な変位を有する層
４０４    ばらつきを有しない均一な応力領域
４０５    ウェハ接合界面
４０５    接合界面
４０６    中心領域
４０７    周縁領域
４１０    第１のウェハ
４１０    第１の半導体ウェハ
４１０、４２０    ウェハ
４１０、４２０    ウェハ又は基板
４１０、４２０    基板
４１０、４２０    接合されたウェハ
４１０、４２０  １つ又は複数のウェハ
４１０ａ  第１の表面
４１０ａ、４１０ｂ    接合される表面
４１０ａ、４２０ａ  界面接触するウェハ表面
４１０ｂ  第２の表面
４１２、４２２  特有のタイプの接合を促進するように構成されている接合層
４１２及び４２２      接合層
４２      支柱
４２      実質的に剛性の支柱
４２０    第２のウェハ
４２０ａ  第１の表面
４３      リニアスライド
４３０    １つ又は複数のスタック
４３０    ウェハスタック
４３０    ウェハスタック（複数可）
４３０    スタック
４３０    予め位置合せされているウェハスタック
４４      接続部
４４Ｅ    係合部材（例えば、ねじ山付きアーム）
４５０    力柱
４６      取り付けプレート
４６      上部取り付けプレート
４６０    第２の力柱
４６０    力柱
４８０    自動であるか又は他の方法で手動で動作する搬送アーム又はスライドのような搬送デバイス
５０      アクチュエータ
５１      アクチュエータのベース部材
５１      ベース部材
５２      アクチュエータ
５２      実質的に均一に分布する力柱を生成するアクチュエータ
５２Ｂ    ベローズシール
５２Ｚ１及び５２Ｚ２    ピストン又はゾーンシール
５２Ｚ１及び５２Ｚ２    中間ゾーンシール
５３      スパン構造体
５３      スパン支持構造体（span support structure）
５３      スパン部材
５３      上部プレート
５３Ｂ    ベローズ
５３Ｂ    ベローズシール
５４      アクチュエータ５２のプレート部材
５４      プレート部材
５４      可動プレート
５４      可動プレート部材
５４Ｆ    プレート面
５４Ｆ    圧力面（pressure face surface）
５５      プレート部材に結合されている反応部材又はベース部材
５５      ベース
５５      ベース部材
５５      ベース部材又は反応部材
５５      固定プレート
５６      シート構造体（seat structure）
５６      底部プレート
５６Ｓ    スパン（span：スパン構造体）
５６Ｓ    スパン構造体
５６Ｔ    ブロック支持シート（block support seat：ブロック支持シート構造体）
５６Ｔ    支持シート
５７      プレート部材
５８      シート構造体５６の表面
５８      下側ブロックアセンブリ２２の底部と係合するシート面（seat surface）
５９      予圧ブロック
７０      耐荷真空熱分離システム
７０、７２  耐荷、真空分離システム（load bearing, vacuum isolation system）
７２      ヒータを支持しているブロックアセンブリの嵌合部分からヒータ３２を熱分離する熱分離システム
７２      構造体
７２      耐荷、真空分離システム
７２      熱分離システム
７２      分離システム
７４      耐荷領域の外部にあるベローズ
７６      ダイヤフラム
７８      プレート
７８      低いＣＴＥの材料層
７８      低い熱膨張率（ＣＴＥ）を有する材料を含むプレート
７８Ｓ    接触面
７８Ｓ    表面
８２      レベリングシステム
８２      実質的に水平に又は互いに平行に維持するレベリングシステム
８４      リニアガイド部分
８４Ｂ    リニア軸受アセンブリ
８４Ｒ    ガイドロッド
８５      接合界面中心
８５      中心点
８６      ジンバル
８６      ジンバル部分
８６      回転ガイド部分
８６      回転ガイド部分又はジンバル部分
８６      半球形の軸受アセンブリによって画定されるジンバル
ＦＥＡ−ＤＩＳＰＬＡＣＥＭＥＮＴ  変位の有限要素解析
ＦＥＡ−ＶＯＮ  ＭＩＳＥＳ  ＳＴＲＥＳＳ  ＦＥＡのミーゼス応力
【図１】
0005390380.tif 000002
【図２Ａ】
0005390380.tif 000003
【図２Ｂ】
0005390380.tif 000004
【図３】
0005390380.tif 000005
【図４Ａ】
0005390380.tif 000006
【図４Ｂ】
0005390380.tif 000007
【図５】
0005390380.tif 000008
【図６】
0005390380.tif 000009
【図７】
0005390380.tif 000010
【図８】
0005390380.tif 000011
【図９Ａ】
0005390380.tif 000012
【図９Ｂ】
0005390380.tif 000013
【図１０】
0005390380.tif 000014
【図１１】
0005390380.tif 000015
【図１２】
0005390380.tif 000016
【図１３】
0005390380.tif 000017
【図１４Ａ】
0005390380.tif 000018
【図１４Ｂ】
0005390380.tif 000019
【図１５】
0005390380.tif 000020
【図１６】
0005390380.tif 000021
【図１７Ａ】
0005390380.tif 000022
【図１７Ｂ】
0005390380.tif 000023
【図１８】
0005390380.tif 000024
【図１９】
0005390380.tif 000025
【図２０】
0005390380.tif 000026