(57)【要約】  半導体ウェハボンディングのための装置及び方法が、半導体ウェハボンディング時間の現場での且つリアルタイムの監視を提供する。直接ボンディング工程の最後の段階のウェハ端部のたわみがボンディング工程の終了を示す。本装置は、距離センサを利用してウェハ端部のたわみを測定し、ボンディング時間は、力の印加（ボンディング開始）とボンディング工程の完了との間の時間として測定される。ボンディング時間はウェハボンディング工程のためのリアルタイム品質制御パラメータとして使用される。【選択図】図６
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボンディング工程中に２つの半導体構造間のボンディング時間を現場で且つリアルタイムに測定する方法であって、
第１半導体構造の第１表面を、第２半導体構造の第１表面に正対すると共に該第１表面と接触するように位置決めすること、
前記第１半導体構造の前記第１表面の反対側にある、前記第１半導体構造の第２表面の第１ポイントにおいて力を印加することによって、前記第１半導体構造の前記第１表面と前記第２半導体構造の前記第１表面との間でボンディングを開始すると共に、それによって、該第１半導体構造の該第１表面と該第２半導体構造の該第１表面との間に接合界面を形成すること、
前記第１半導体構造の前記第１表面及び前記第２半導体構造の前記第１表面の領域全体を通じての前記接合界面の伝播中の、前記第１半導体構造の前記第２表面の、前記第１ポイントから第１の距離をおいて位置決めされる第２ポイントの、前記第２半導体構造の前記第１表面からのたわみを測定すること、並びに
前記たわみが最小値に達する時刻と前記力が印加される時刻との間の差をとることによって前記ボンディング時間を測定すること、
を含む、方法。
【請求項２】
前記第２ポイントは、前記第１ポイントの正反対に位置決めされる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１ポイントは前記第１半導体構造の前記第２表面の中心に位置し、前記第２ポイントは前記第２表面の端部に位置する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第１半導体構造の前記第２表面の前記第２ポイントの、前記第２半導体構造の前記第１表面からの前記たわみは最初は増大し、その後前記最小値まで減少する、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記たわみは距離センサを用いて測定される、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記距離センサはレーザ三角測量の原理に基づいて動作するレーザ距離センサを含む、請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記第１ポイントと前記第２ポイントとの間の前記第１の距離を前記ボンディング時間で除算することによって接合伝播速度を計算することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記測定されたボンディング時間と事前に求められている最適なボンディング時間との間の差をとることによって接合品質値を計算することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
ボンディング工程中に２つの半導体構造間のボンディング時間を現場で且つリアルタイムに測定する装置であって、
第１半導体構造の第１表面を、第２半導体構造の第１表面に正対すると共に該第１表面と接触するように位置決めする機器と、
前記第１半導体構造の前記第１表面の反対側にある、前記第１半導体構造の第２表面の第１ポイントにおいて力を印加することによって、前記第１半導体構造の前記第１表面と前記第２半導体構造の前記第１表面との間でボンディングを開始すると共に、それによって、該第１半導体構造の該第１表面と該第２半導体構造の該第１表面との間に接合界面を形成する機器と、
前記第１半導体構造の前記第１表面及び前記第２半導体構造の前記第１表面の領域全体を通じての前記接合界面の伝播中の、前記第１半導体構造の前記第２表面の、前記第１ポイントから第１の距離をおいて位置決めされる第２ポイントの、前記第２半導体構造の前記第１表面からのたわみを測定する機器と、
前記たわみが最小値に達する時刻と前記力が印加される時刻との間の差をとることによって前記ボンディング時間を測定する機器と、
を備える、装置。
【請求項１０】
前記第２ポイントは、前記第１ポイントの正反対に位置決めされる、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
前記第１ポイントは前記第１半導体構造の前記第２表面の中心に位置し、前記第２ポイントは前記第２表面の端部に位置する、請求項９に記載の装置。
【請求項１２】
前記第１半導体構造の前記第２表面の前記第２ポイントの、前記第２半導体構造の前記第１表面からの前記たわみは最初は増大し、その後前記最小値まで減少する、請求項９に記載の装置。
【請求項１３】
前記たわみは距離センサを用いて測定される、請求項９に記載の装置。
【請求項１４】
前記距離センサはレーザ三角測量の原理に基づいて動作するレーザ距離センサを含む、請求項１３に記載の装置。
【請求項１５】
前記第１ポイントと前記第２ポイントとの間の前記第１の距離を前記ボンディング時間で除算することによって接合伝播速度を計算する機器をさらに備える、請求項９に記載の装置。
【請求項１６】
前記測定されたボンディング時間と事前に求められている最適なボンディング時間との間の差をとることによって接合品質値を計算する機器をさらに備える、請求項９に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウェハボンディングのための装置及び方法に関し、より詳細には、半導体ウェハボンディング時間の現場監視及び測定に関する。
【背景技術】
【０００２】
直接ウェハボンディングは、２つの別個のウェハ表面が接触されると共にいかなる中間接着剤も外力も用いることなく接合される工程を指す。初期接合強度は通常弱く、したがって一般的に引き続きアニーリングステップが実行されて接合が強化される。ウェハボンディングは、基板工学、並びに集積回路の製造、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）のパッケージング及び封入、並びに純粋なマイクロエレクトロニクスの多くの加工層の積層（３Ｄ集積）を含む広範な半導体加工用途において利用されている。
【０００３】
ウェハ接合の品質は全体的な半導体生産収率及びコストにおいて重要な役割を果たす。したがって、工程及び後工程の間の接合品質の監視及び特性化が所望されている。迅速且つ非破壊的な接合品質測定方法がウェハレベルに対しては好ましい。非破壊接合品質測定方法の例は、音響的方法及び光学的方法を含む。これらの方法はボンディング後に適用され、界面欠陥に関して接合の品質を測定する。シンギュレーション後に良品ダイの予備選択が行われ、接合強度、及び気密性のような他のパラメータが、破壊的な方法を用いてサンプル試験において試験される。マイクロセンサが人間の安全性に関する用途に使用される事例では、各デバイスは一連の厳しい環境試験を通過しなくてはならない。これらの従来技術のウェハ接合試験方法のすべては、ボンディング後の計測を扱っている。しかしながら、多くの用途において、ウェハボンディング工程及び接合品質を現場（ｉｎ−ｓｉｔｕ）で且つリアルタイムで監視することが望ましい。
【０００４】
生産型環境におけるボンディング時間の監視は、技術的解決法の欠如に起因して現在は実施されていない。図１に示すような赤外（ＩＲ）光を利用する光学的方法が、接合後ボイド検査に一般的に使用される。ＲＰ検査システムに基づくボンディングの監視のための機構が、SUSS MicroTecによって製造されるＡＢＣ２００システム及びＥＬＡＮ  ＳＯＩ３００システム内に組み込まれている。しかしながら、これらのシステムは自動ボンディング及び接合時間監視を組み込んでいない。したがって、現場（ｉｎ−ｓｉｔｕ）での且つリアルタイムのウェハボンディング時間監視を提供するシステムが必要とされている。
【発明の概要】
【０００５】
概して、一態様では、本発明は、２つの半導体構造間のボンディング工程中に現場（ｉｎ−ｓｉｔｕ）で且つリアルタイムにボンディング時間を測定する方法を特徴とする。本方法は以下のステップを含む。最初に、第１半導体構造の第１表面を、第２半導体構造の第１表面に正対すると共に該第１表面と接触するように位置決めすること。次に、第１半導体構造の第２表面の第１ポイントにおいて力を印加することによって、第１半導体構造の第１表面と第２半導体構造の第１表面との間でボンディングを開始すると共に、それによって第１半導体構造の第１表面と第２半導体構造の第１表面との間に接合界面を形成すること。第２表面は第１半導体構造の第１表面の反対側にある。次に、第１半導体構造の第１表面及び第２半導体構造の第１表面の領域全体を通じての接合界面の伝播中の、第１半導体構造の第２表面の第２ポイントの、第２半導体構造の第１表面からのたわみを測定すること。第２ポイントは、第１ポイントから第１の距離をおいて位置決めされる。最後に、たわみが最小値に達する時刻と力が印加される時刻との間の差をとることによってボンディング時間を測定すること。
【０００６】
本発明のこの態様の実施態様は、以下の特徴のうちの１つ又は複数を含むことができる。第２ポイントは、第１ポイントの正反対に位置決めすることができる。第１ポイントは第１半導体構造の第２表面の中心に位置することができ、第２ポイントは第２表面の端部に位置することができる。第１半導体構造の第２表面の第２ポイントの、第２半導体構造の第１表面からのたわみは最初は増大し、その後最小値まで減少する。たわみは距離センサを用いて測定することができる。距離センサはレーザ三角測量の原理に基づいて動作するレーザ距離センサとすることができる。本方法は、第１ポイントと第２ポイントとの間の第１の距離をボンディング時間で除算することによって接合伝播速度を計算することをさらに含むことができる。本方法は、測定されたボンディング時間と事前に求められている最適なボンディング時間との間の差をとることによって接合品質値を計算することをさらに含むことができる。
【０００７】
概して、別の態様では、本発明は、２つの半導体構造の間のボンディング作業の間にボンディング時間を測定する装置を特徴とする。本装置は、第１半導体構造の第１表面を、第２半導体構造の第１表面に正対すると共に該第１表面と接触するように位置決めする機器と、第１半導体構造の第２表面の第１ポイントにおいて力を印加することによって、第１半導体構造の第１表面と第２半導体構造の第１表面との間でボンディングを開始すると共に、それによって、第１半導体構造の第１表面と第２半導体構造の第１表面との間に接合界面を形成する機器と、第１半導体構造の第１表面及び第２半導体構造の第１表面の領域全体を通じての接合界面の伝播中の、第１半導体構造の第２表面の第２ポイントの、第２半導体構造の第１表面からのたわみを測定する機器と、たわみが最小値に達する時刻と力が印加される時刻との間の差をとることによってボンディング時間を測定する機器とを備える。第２表面は第１半導体構造の第１表面の反対側にあり、第２ポイントは第１ポイントから所定の距離をおいて位置決めされる。
【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下記の記載において説明する。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記載、図面、及び特許請求の範囲から明らかとなろう。
【０００９】
図面を参照すると、複数の図全体を通じ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】さまざまなウェハボンディング段階のＩＲ画像を示す図である。
【図２】ボンディング前の段階における、２ウェハボンディング機構の概略図である。
【図３】上側ウェハが下側ウェハの表面上に浮いている段階における、図２の２ウェハボンディング機構の概略図である。
【図４】ボンディングが完了した段階における、図２の２ウェハボンディング機構の概略図である。
【図５Ａ】スペーサによって分離されているウェハの概略側面図である。
【図５Ｂ】空隙によって分離されている、下側ウェハの表面上に浮いている上側ウェハの概略側面図である。
【図５Ｃ】微小な空隙層によって分離されている２つのウェハの概略側面図である。
【図５Ｄ】接合開始段階の概略側面図である。
【図５Ｅ】ボンディング工程の完了直前のウェハのたわみの概略側面図である。
【図５Ｆ】完了したボンディング工程の概略側面図である。
【図６】ボンディング工程全体の間の時間の関数としてのウェハ端部間の理論的な間隙距離のグラフである。
【図７】ボンディング工程のさまざまな段階の間の２つのウェハ端部のリアルタイム画像を示す図である。
【図８】ボンディング工程全体のリアルタイム監視の間に観測される実時間の関数としての、ウェハ端部間のリアルタイム間隙距離のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明は、商用ボンディング機器における直接ウェハボンディング工程におけるボンディング時間を監視する方法及び装置を説明する。
【００１２】
直接ウェハボンディング工程は、表面活性化、室温ボンディング及びアニーリングを含む３ステップの工程順序とみなすことができる。プレボンディングとしても既知である室温ボンディングは、ファンデルワールス力としても既知である原子間力及び分子間力、水素結合又は水架橋に基づく。これらの力は比較的弱い。しかしながら、多くの事例において、２つの清浄且つ平坦な表面の自然に起こるボンディングは、ただ１つの点のみにおいて開始される場合に発生する。一般的に、このボンディングは中心内で又は端部において開始される。図１のＩＲ画像に示すように、ボンディングが開始されると、いわゆるボンディング前線（bonding front）がボンディング界面にわたって伝播する。図１を参照すると、第１のステップにおいて２つのウェハ表面４０が、それらの間に小さな空隙が存在するように近接近させられ、その後、それらの２つのウェハ表面は単一の点３５において互いに押し付けられて、その単一の点においてウェハ表面間の距離は原子スケールに達する（３０Ａ）。上述したように、この点３５は通常ウェハ４０の端部又は中心にある。次に、接合前線３６が、界面間隙のない接合領域３４を背後に残しながら１０ミリメートル毎秒〜３０ミリメートル毎秒の速度で自身の推進力の下に界面全体にわたって伝播する（３０Ｂ）。最後に、接合前線３６はウェハ表面の反対の端部に達し、ボンディングが完了する（３０Ｃ）。接合前線伝播速度及びボンディング時間は、材料、反り（bow）、平坦性、微視的粗度、及び清浄度のような多くの基板パラメータによって決まる。デバイス設計及び相対接合表面は、接合前線伝播においても主要な役割を果たす。最後に、接合表面の前処理がボンディング時間に影響を及ぼす。ボンディング時間の追跡はシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウェハの製造において重要なパラメータである。これは、この情報が事前の洗浄及び活性化の工程に対する見通しをもたらすためである。ボンディング時間のリアルタイム監視も、ボンディング工程の統計的工程制御能力を向上させるために望ましい。
【００１３】
図２を参照すると、直接ボンディング工程８０において一般的に、ウェハは水平方向に向いている。下側ウェハ８４は、特定の直径を有する平坦なキャリア（チャック）８６上に表を上にして配置される。機械的スペーサ８８ａ、８８ｂが下側ウェハ８４の上側表面の端部に配置され、上側ウェハ８２が機械的スペーサ８８ａ、８８ｂの上に表を下にして配置される。図２に示すように、ウェハ間の近接間隙８５が、スペーサの厚さ及び位置によって規定される。次に、図３に示すように、スペーサ８８ａ、８８ｂが取り外され、２つの平坦な表面の間のエアクッション８５のために、上側ウェハ８２は下側ウェハ８４の表面上に浮く。次に、力Ｆがただ１つの点８３（一般的にウェハ端部又は中心にある）において印加され、ウェハ８２、８４が原子的に接触し、ファンデルワールス力に基づいてボンディングが開始する。図４に示すように、直線状又は円形の接合前線が、空気を界面８５の外に出すと共に原子的に接触している表面を残しながら伝播する。
【００１４】
本発明では、ボンディング前の下側ウェハ８４の表面上における上側ウェハ８２の浮動特性、及びボンディング工程の間のウェハの弾性的挙動を利用してボンディング時間を監視する。浮動特性及び弾性的挙動の変化を測定し、力の印加（すなわち、ボンディングの開始）とボンディング工程の完了との間の時間に関係付けて接合時間を監視する。
【００１５】
本発明の実験では、図５Ｅに示すように、最初に肉眼で、接合開始位置８３に対して反対側のウェハ端部位置８７を観察した。その後、高精度レーザ距離センサ９０を有する機構を使用して、測定値によって観察を検証した。距離センサ９０はレーザ三角測量の原理に基づいて動作する。レーザ三角測量法では、レーザは目標に向けてビームを放射する。目標はそのビームを受光素子に反射し戻す。屈折角は対象物の距離に比例して変化する。センサはこの角度を測定して、その後距離を計算する。一実施例では、距離センサはコネティカット州Southington所在のBaumer社から購入される。
【００１６】
図５Ｂの機構を使用して、下側ウェハ８４の表面上の上側ウェハ８２の浮動特性が、空隙距離８５に関して経時的に変化することを観察した。図６を参照すると、間隙距離８５対ボンディング作業の間の時間のグラフ表現２００によって、３つの段階２１２、２１４、２２０が存在することが示される。図３及び図５Ｂに示すように、第１の段階２１２において、近接スペーサ８８ａ、８８ｂが取り外され、上側ウェハ８２が下側ウェハ８４上に落ちる。工程のこの段階において、２つのウェハは２つの平行なプラスチック板のように挙動する。最初に上側ウェハ８２が落ちた後、各ウェハ上の境界層に起因して空気流が妨げられるまで、上側ウェハにかかる重力が該上側ウェハを押し下げていると共に、空気を界面から急速に押し出している。図５Ｃに示すように、ウェハ間に微小な空隙８５が残存する。接合工程の第２の段階２１４は、微小な間隙の変化によって規定される。上側ウェハにかかる重力は依然として押し下げているため、残存空隙８５が減少することを観察した。残存空隙の減少は工程時間に対して非線形的である。それ以降２つの完全に平坦な表面に何ら外力を印加しなければ、原子的な接触を妨げる残存空気境界層のために、半導体ウェハは理論的には決して自然に接合することはない。段階２の残存間隙の寸法はウェハのサイズ、厚さ、及び表面特性によって求められる。第３の段階２２０において、単一の接合前線伝播を達成すると共に気泡形成の余地を与えないように、一般的にただ１つの点においてボンディングが開始する（２０１）。図５Ｄに示すように、表面は原子的に接触するようになると共に接合前線に沿って残存空気を界面の外に押し出すため、接合前線が伝播する間に２つの基板は弾性的にたわむ。最初に、図５Ｅに概略的に示すように、２つの基板の端部を特定の角度で見ると、基板間の間隙距離の増大２０２が観察される。その直後に、図５Ｆに示すように、距離間隙の急速な減少２０４が見られる。最後に最小距離が達成され（２０５）、これはボンディング工程全体が完了したことを示す。
【００１７】
ボンディング時間を監視する本方法及びデバイスは、基板の弾性たわみの測定に基づく。この測定は、光学的方法、非光学的方法又は非接触的方法を用いて実現することができる。１つの技術的解決法は、２つの基板の上方に配置される、上側ウェハに対する距離変化を監視するセンサシステムである。記載のボンディング工程の３つの段階における２つの基板間の間隙距離と、時間との関係を図６に概略的に示す。さまざまな段階のリアルタイム画像を図７に示し、高精度レーザ距離センサを使用することによる測定データを図８に与える。ボンディング時間を、接合開始時刻（２０１）と工程の段階３の終了（２０５）との間の差をとることによって求める。
【００１８】
加えて、接合開始点８３とたわみ測定点８７との間の距離をボンディング時間で除算することによって、接合前線伝播速度を計算する。最初に、所与のサイズ、材料、及び表面品質に対する最適なボンディング時間を計算するか又は実験的に確定すること、次いで、本発明の記載の方法及びシステムを用いてボンディング時間をリアルタイムに監視及び測定すること、並びに、次いで、測定されたボンディング時間を最適なボンディング時間と比較することによって、接合品質制御パラメータも求める。実際のボンディング時間の、最適なボンディング時間からの偏差は、ボンディングが完全でないか、又は問題があることを示す。
【００１９】
中でも、本発明の利点は以下のうちの１つ又は複数であり得る。ボンディング時間の現場（ｉｎ−ｓｉｔｕ）での且つリアルタイムの監視。特に、大量生産におけるウェハボンディング工程に関して、この測定は、従来の統計的工程管理にさらなる工程安全性を提供する。また、本方法を、接合品質の監視、すなわち空隙のないボンディング及び接合の失敗の確定に適用することができる。ボンディングシーケンスに対する現行の技術水準の手法は、接合開始後の長い待ち時間をプログラムして接合が完了することを確実にすることである。本発明の本方法及びデバイスを適用して、正確なボンディング時間を求めると共にボンディングが終了する正確な時刻を報告することができる。さらに、ウェハボンディングシステムの生産処理量を改善及び最適化することができる。また、本発明及びデバイスはウェハボンディングの研究開発作業のための有用な開発ツールであり得る。
【００２０】
本発明のいくつかの実施形態を記載した。それにもかかわらず、本発明の精神及び範囲から逸脱することなくさまざまな変更を行うことができることは理解されよう。したがって、他の実施形態は以下の特許請求項の範囲内にある。
【図１】
2010528460.tif 000003
【図２】
2010528460.tif 000004
【図３】
2010528460.tif 000005
【図４】
2010528460.tif 000006
【図５Ａ】
2010528460.tif 000007
【図５Ｂ】
2010528460.tif 000008
【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
2010528460.tif 000011
【図５Ｆ】
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【図６】
2010528460.tif 000013
【図７】
2010528460.tif 000014
【図８】
2010528460.tif 000015
【国際調査報告】
2010528460.tif 000016
2010528460.tif 000017