JP2017022364A - 整列したウェーハ・ペアを取り扱うための方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ウェーハとウェーハの整列および接合のアプリケーションのための、正確に整列され、中心に配置された半導体ウェーハ・ペアを取り扱う方法を提供する。【解決手段】フレーム・メンバー１１０と、フレーム・メンバーに接続され、それらの間にギャップを有するフローティング・キャリヤー１２０とを有するエンド・エフェクタ１００を含んでおり、フローティング・キャリヤー１２０は、半円形内側境界を有する。中心に配置された半導体ウェーハ・ペア２０は、ロボット制御の下でエンド・エフェクタ１００を使用して、処理システム内に配置される。中心に配置された半導体ウェーハ・ペア２０は、接合デバイスの中にエンド・エフェクタ１００が存在することなく、互いに接合される。【選択図】図５

Description

本開示は、整列したウェーハ・ペアを取り扱うための方法に関し、特に、ウェーハをウェーハに接合するアプリケーションに適した高精度に整列した半導体ウェーハ・ペアを運ぶように構成されたエンド・エフェクタを用いた方法に関する。

ウェーハをウェーハ(W2W)に接合することは、半導体装置を形成するための半導体プロセス・アプリケーションの広い範囲において開発されている。ウェーハにウェーハを接合することが適用される半導体プロセス・アプリケーションの例としては、集積回路のサブストレート・エンジニアリングおよび製造、微小電子機械システム(MEMS)のパッケージングおよびカプセル封入、および純粋なマイクロ・エレクトロニクスの多くの処理層(３次元集積化)の積層化を含む。W2W接合は、２つ以上のウェーハの表面をアライメント（整列）すること、ウェーハ接合チャンバへ整列されたウェーハを搬送すること、ウェーハ表面の接触をもたらすこと、そしてそれらの間に強い接合インターフェースを形成することを含む。全てのプロセスがもたらされ、そしてそのように製造された半導体装置の製造コスト、およびこれらの装置を組み込んだ電子製品の最終コストは、ウェーハをウェーハに接合する品質に大きく依存する。W2W接合の品質は、ウェーハ・アライメントの精度、搬送と接合プロセスにおけるウェーハ整列の保存、およびウェーハ接合界面における接着力の均一性および完全性に依存する。更に、破損、表面損傷、またはウェーハの歪みを避けるために、ウェーハの搬送、配置、センタリング、および整列において細心の注意が必要である。

図１Ａは、従来技術に従って、アライナからボンダまで整列したウェーハを搬送するために使用される従来の搬送治具の概略図を描く。伝統的に、図１Ａに示されているように、ウェーハ・ペア18は、アライナ・ステーション50の中に整列されており、整列したウェーハ・ペア18は、搬送治具24に固定される。搬送治具24は、接合ステーション60に、およびさらなる処理ステーションに整列したウェーハ・ペア18を運ぶ。従来技術の搬送治具24は、2011年5月24日に発行された、「半導体接合のための装置および方法（APPARATUS AND METHOD FOR SEMICONDUCTOR BONDING）」とタイトルをつけられた米国特許第7,948,034号明細書に記載されている。それらの内容は、参照によって明らかにここに組込まれる。

図２Ａは、従来技術に従って、図３に関連して述べているように、図１Ａの従来の搬送治具を描いている。図２Ｂは、従来技術に従って、図２Ａの従来の搬送治具のクランプ・アセンブリの拡大図を描いている。図３は、従来技術に従って、従来の搬送治具を使用して、接合チャンバに整列したウェーハ・ペアを装填する概略描写である。最初に図３を参照すると、従来の搬送治具24は整列したウェーハ・ペア(図示せず)を保持するためにサイズを合わせて作られている。また、搬送デバイス16は、搬送治具24および整列したウェーハ・ペアを、接合チャンバ12に対して、およびその接合チャンバから移動させるために使用される。１例において、搬送デバイス16は、自動化されるか、そうでなければ手動操作される搬送アームまたはスライドである。

図２Ａに示されているように、搬送治具24は、環状に形成されたリング280であり、多くはチタンから形成されており、３つのノーズ280a、280b、280cを含んでおり、それらは、ベースウェーハのための支持ポイントとして作用する環状のリング280に関して対称的な間隔を有して配置されている。３つのノーズ280a、280b、280cの各々の近接した位置には、３つのスペーサーおよび環状のリングの外周を120度間隔で対称的に配置されたクランプ・アセンブリ282a、282b、282cがある。各スペーサーおよびクランプ・アセンブリ282a、282b、282cは、スペーサー284およびクランプ286を含む。スペーサー284は、所定距離で２つのウェーハをセットするように構成されている。異なる厚みを有するスペーサーは、２つのウェーハ間の異なるスペースを設定するために選択されてもよい。一旦スペーサーがウェーハ間に挿入されると、クランプ286は、２つのウェーハの位置をロックするために締め付けられる。クランプ286は、搬送治具24上の適切な位置でウェーハを保持するために、上部のウェーハと接触するように下方に移動する、単一構造あるいはリンク機構でもよい。スペーサー284および各クランプ286のそれぞれは、線形アクチュエーター283および285によってそれぞれ独立して起動される。

接合プロセスについては、２つの整列したウェーハが、運搬治具24の中に位置され、スペーサー284で間隔を有して配置され、そこでクランプ286でしっかりと締め付けられる。締め付けられたウェーハを備えた治具は、接合チャンバ12に差し込まれ、そこでクランプ286のそれぞれがひとつずつ緩められ、スペーサー284が外される。一度にスペーサー284がすべて外され、２つのウェーハが空気圧制御式のセンタピンと共にクランプされる。その後、フォース・カラムは、高温接合プロセスを通して接合デバイス12における接合プロセスを促進させるために利用される。

米国特許第7,948,034号明細書 米国特許第8,139,219号明細書

産業界内においては、搬送治具24が、重く、搬送デバイス16または操作ロボットのための課題であることが知られている。さらに、一旦それらが接合デバイス12の内部に配置されれば、搬送治具24は、接合プロセスの期間を通して接合デバイス12の中に残り、それにより、接合デバイス12の内部で使用されるかもしれない、チャンバのガスおよび／または圧力と同様に、550°Cの温度までの接合環境に搬送治具24がさらされる。特に、搬送治具24は、接合デバイス12の加熱されたチャックの外周から数ミリメートルだけ離れた位置に１時間以上配置されて、搬送治具24が非常に熱くなるかもしれない。これらの条件は、搬送治具24上に、特にスペーサー284およびクランプ286の複雑な構造においてかなりのストレスをかける。その結果、時間とともに、搬送治具24は信頼性が低くなり、高いコストで、かなりの時間がかかる精度の高い調整を有する重要な整備が要求される。

他の実施においては、整列したウェーハ・ペアは一時的に接合され、そして、一時的に接合されたウェーハ・ペアは、接合ステーションおよび他のプロセス・ステーションへ搬送される。ウェーハの一時的接合は、処理中における整列シフト誤差を最小にするために使用されてもよい。一時的なウェーハ接合技術は、レーザー光線でウェーハの中心またはエッジを接合すること、一時的な粘着性タックでウェーハの中心またはエッジを接合すること、およびハイブリッド溶融を介してウェーハの中心またはエッジを接合すること、を含む。そこで、接合されたウェーハ・ペアは、搬送治具または同様の従来の搬送デバイスで接合デバイスに搬送される。レーザー接合技術は、少なくとも１つのレーザー透明ウェーハを要求し、そして接合技術は、ウェーハ表面を汚染させるかもしれない。

従って、前述の欠点および不備な点に照らして、高い処理能力、および如何なる汚染物質も導入されることなく、すべての形式のウェーハを取り扱う能力を備えるウェーハとウェーハとを接合するアプリケーションのために正確に整列され、中心に配置された半導体ウェーハ・ペアを取り扱うために、産業規模方法を提供することは望ましいことである。

本開示の実施例は、特にエンド・エフェクタを用いた、ウェーハを取り扱うための方法を提供する。構造において、簡単に述べると、システムの一例は、特に、以下のように実施することができる。エンド・エフェクタ装置は、フレーム・メンバーと、フレーム・メンバーに接続され、互いの間に形成されたギャップを伴うフローティング・キャリヤーと、を有しており、そこにはフローティング・キャリヤーは半円形内側境界を有する。複数の真空パッドはフローティング・キャリヤーに接続されており、そこにおいて複数の真空パッドのそれぞれは、フローティング・キャリヤーの半円形内側境界の内側に延びている。

また、本開示は、処理装置に整列したウェーハ・ペアを配置するための方法システムを提供するものとして見ることができる。構造において、簡単に述べると、システムの一実施例は、特に、以下のように実施することができる。エンド・エフェクタは、フレーム・メンバー、および一定間隔で整列されたウェーハを運ぶためのフローティング・キャリヤーを有しており、そこにおいて、フローティング・キャリヤーは、フレーム・メンバーに移動可能に接続されている。ロボットアームはエンド・エフェクタに接続されている。処理デバイスは処理チャンバを有しており、そこにおいて、フレーム・メンバーおよびフローティング・キャリヤーは、処理チャンバの内部に配置され、そして、フローティング・キャリヤーは、フレーム・メンバーから切り離される。

また、本開示は、処理デバイスに整列したウェーハ・ペアを配置するための方法を提供するものとして見ることができる。構造において、簡単に述べると、システムの一実施例は、特に、以下のように実施することができる。エンド・エフェクタは、フレーム・メンバーおよびフローティング・キャリヤーを有しており、そこにおいて、フローティング・キャリヤーは、フレーム・メンバーに移動可能に接続されており、複数のクランプ・スペーサー・アセンブリが、一定間隔で整列されたウェーハを運ぶために、フレーム・メンバーおよびフローティング・キャリヤーの少なくとも１つに接続される。ロボットアームはエンド・エフェクタに接続される。接合デバイスは、接合チャンバを有しており、そこにおいて、フレーム・メンバーおよびフローティング・キャリヤーは、接合プロセスの前に接合チャンバ内に配置され、接合プロセス中に接合チャンバから取り外される。

本開示も接合デバイスに整列したウェーハを配置する方法の提供として見ることができる。この点では、特に、そのような方法の一実施例は、下記ステップによって広く要約することができ、フレーム・メンバーおよびフレーム・メンバーに移動可能に接続されたフローティング・キャリヤーを有するエンド・エフェクタで一定間隔に配置されたウェーハを確保にするステップ、エンド・エフェクタを移動させるためにロボットを使用するステップ、それによりボンダの接合チャンバにウェーハを移動させ、エンド・エフェクタからのウェーハから外すステップ、接合チャンバからエンド・エフェクタを取り除くステップ、およびウェーハを接合するステップ、を含む。

本開示の他の方法、特徴、および利点は、以下の図面および詳細な説明の検討により当業者に明白であろう、若しくは明白になるであろう。そのような追加のシステム、方法、特徴、および利点のすべては、この明細書の内に含まれ、本開示の範囲内であり、そして添付の請求項によって保護されることが意図されている。

本開示の多くの態様は、以下の図面を参照してより一層理解されるであろう。図面における構成要素は、本開示の原理を明確に描くことの代りに、縮尺を変えたり、強調したりすることは必ずしも必要ではない。さらに、図面において、同じ参照数字は、いくつかの図面を通して対応する部品を示している。

図１Ａは、従来技術に従って、アライナからボンダまで整列したウェーハを搬送するために使用された従来の搬送取付具の概略図を描いている。 図１Ｂは、本開示の最初の典型的な実施例に従って、アライナから接合デバイスまで整列したウェーハを搬送するために使用された搬送デバイスおよび方法の概略図を描いている。 図２Ａは、従来技術に従って、図３に示されたように、図１Ａの従来の搬送取付具を描いている。 図２Ｂは、先行技術に従って、図２Ａの従来の搬送取付具のクランプ・アセンブリの拡大図を描いている。 図３は、先行技術に従って、従来の搬送取付具を使用して、接合チャンバに整列したウェーハ・ペアを装填する概略図を描いている。 図４は、本開示の最初の典型的な実施例に従って、処理室に、およびその処理室から整列したウェーハを搬送するために使用されるエンド・エフェクタを描いている。 図５は、本開示の最初の典型的な実施例に従って、１組の整列したウェーハを保持する図４のエンド・エフェクタの上面図を描いている。 図６は、本開示の最初の典型的な実施例に従って、１組の整列したウェーハを保持する図４のエンド・エフェクタの下面図を描いている。 図７は、本開示の最初の典型的な実施例に従って、１組の整列したウェーハを保持する図４のエンド・エフェクタの部分的に透視した下面図を描いている。 図８Ａは、本開示の最初の典型的な実施例に従って、１組の整列したウェーハを保持する図４のエンド・エフェクタの一部の断面図を描いている。 図８Ｂは、本開示の最初の典型的な実施例に従って、１組の整列したウェーハを保持する図４のエンド・エフェクタの断面図を描いている。 図８Ｃは、本開示の最初の典型的な実施例に従って、１組の整列したウェーハを保持する図４のエンド・エフェクタの断面図を描いている。 図８Ｄは、本開示の最初の典型的な実施例に従って、保管ステーションに配置された図４のエンド・エフェクタの断面図を描いている。 図９は、本開示の最初の典型的な実施例に従って、異なるサイズのウェーハを保持するための調整可能な真空パッドを伴うエンド・エフェクタの下面図を描いている。 図１０Ａは、本開示の最初の典型的な実施例に従って、ロボットアームを使用中のエンド・エフェクタを描いている。 図１０Ｂは、本開示の最初の典型的な実施例に従って、ロボットアームを使用中のエンド・エフェクタを描いている。 図１１Ａは、本開示の最初の典型的な実施例に従って、図４のエンド・エフェクタでアライナから整列したウェーハ・ペアを取り外すステップを概略的に描いている。 図１１Ｂは、本開示の最初の典型的な実施例に従って、図４のエンド・エフェクタでアライナから整列したウェーハ・ペアを取り外すステップを概略的に描いている。 図１１Ｃは、本開示の最初の典型的な実施例に従って、図４のエンド・エフェクタでアライナから整列したウェーハ・ペアを取り外すステップを概略的に描いている。 図１１Ｄは、本開示の最初の典型的な実施例に従って、図４のエンド・エフェクタでアライナから整列したウェーハ・ペアを取り外すステップを概略的に描いている。 図１１Ｅは、本開示の最初の典型的な実施例に従って、図４のエンド・エフェクタでアライナから整列したウェーハ・ペアを取り外すステップを概略的に描いている。 図１１Ｆは、本開示の最初の典型的な実施例に従って、図４のエンド・エフェクタでアライナから整列したウェーハ・ペアを取り外すステップを概略的に描いている。 図１１Ｇは、本開示の最初の典型的な実施例に従って、図４のエンド・エフェクタでアライナから整列したウェーハ・ペアを取り外すステップを概略的に描いている。 図１１Ｈは、本開示の最初の典型的な実施例に従って、図４のエンド・エフェクタでアライナから整列したウェーハ・ペアを取り外すステップを概略的に描いている。 図１２は、本開示の最初の典型的な実施例に従った、ウェーハ・アライナの概略図である。 図１３Ａは、本開示の最初の典型的な実施例に従って、図４のエンド・エフェクタでボンダに整列したウェーハ・ペアを装填するステップを概略的に描いている。 図１３Ｂは、本開示の最初の典型的な実施例に従って、図４のエンド・エフェクタでボンダに整列したウェーハ・ペアを装填するステップを概略的に描いている。 図１３Ｃは、本開示の最初の典型的な実施例に従って、図４のエンド・エフェクタでボンダに整列したウェーハ・ペアを装填するステップを概略的に描いている。 図１３Ｄは、本開示の最初の典型的な実施例に従って、図４のエンド・エフェクタでボンダに整列したウェーハ・ペアを装填するステップを概略的に描いている。 図１３Ｅは、本開示の最初の典型的な実施例に従って、図４のエンド・エフェクタでボンダに整列したウェーハ・ペアを装填するステップを概略的に描いている。 図１３Ｆは、本開示の最初の典型的な実施例に従って、図４のエンド・エフェクタでボンダに整列したウェーハ・ペアを装填するステップを概略的に描いている。 図１３Ｇは、本開示の最初の典型的な実施例に従って、図４のエンド・エフェクタでボンダに整列したウェーハ・ペアを装填するステップを概略的に描いている。 図１３Ｈは、本開示の最初の典型的な実施例に従って、図４のエンド・エフェクタでボンダに整列したウェーハ・ペアを装填するステップを概略的に描いている。 図１３Ｉは、本開示の最初の典型的な実施例に従って、図４のエンド・エフェクタでボンダに整列したウェーハ・ペアを装填するステップを概略的に描いている。 図１４は、本開示の最初の典型的な実施例に従って、図４のエンド・エフェクタでボンダに整列したウェーハ・ペアを装填することを描いている。 図１５Ａは、本開示の最初の典型的な実施例に従って、単一のセンタピンによって２つのウェーハをピンで留める概略図を描いている。 図１５Ｂは、本開示の最初の典型的な実施例に従って、中心ピンおよびオフセンタ回転防止ピンによって２つのウェーハをピンで留める概略図を描いている。 図１５Ｃは、本開示の最初の典型的な実施例に従って、３本の周辺ピンによって２つのウェーハをピンで留める概略図を描いている。 図１６は、本開示の最初の典型的な実施例に従った、典型的なウェーハ・ボンダの概略図である。 図１７は、本開示の最初の典型的な実施例に従った、ウェーハ・ボンダで使用される典型的なボンダ・スペーサー・フラグ機構の概略図である。 図１８Ａは、本開示の最初の典型的な実施例に従った、ピンの１例を示す概略図である。 図１８Ｂは、本開示の最初の典型的な実施例に従った、ピンの１例を示す概略図である。 図１９は、本開示の最初の典型的な実施例に従った、接合デバイスに整列したウェーハを配置する方法を示すフローチャートである。

本開示は、高スループットでウェーハとウェーハとを整列し、接合するアプリケーションのための正確に整列され、中心に置かれた半導体ウェーハ・ペアを取り扱うための産業規模デバイスを提供する。デバイスは、ロボットアームの端部に取付けられたエンド・エフェクタを含む。エンド・エフェクタは、ウェーハとウェーハとの整列を変更することなく、および如何なる汚染物質も導入されることなく、様々な処理ステーションに、およびその処理ステーションからウェーハの整列したペアを保持し、移動し、かつ配置するように構成されている。

図１Ｂは、本開示の最初の典型的な実施例に従って、アライナから接合デバイスまで整列したウェーハ20、30を搬送するため使用される搬送デバイスおよび方法の概略図を描いている。図１Ｂに示されているように、エンド・エフェクタ100はロボットアーム80に取り付けられており、アライメント・デバイス300および接合デバイスを有する別個の接合ステーション400に、およびそこから移動するように構成されている。１組の２つのウェーハ20、30は、アライメント・デバイス300にエンド・エフェクタ100によって運ばれ、そこで２つのウェーハ20、30が互いに比較されて整列されており、そしてその整列は、エンド・エフェクタ100で確実なものとなる。次に、ロボットアーム80は、整列したウェーハ・ペア20、30を伴うエンド・エフェクタ100をアライメント・デバイス300から、そして接合ステーション400に移動させて、２つの整列したウェーハ20、30が接合されうる。エンドエフェクタ100は、接合デバイスの中に２つの整列したウェーハ20、30を置くことができ、そこで、ロボットアーム80は、接合プロセスの継続時間の間に接合デバイスからそれを取り除く。一旦接合プロセスが完了すると、エンド・エフェクタ100により支持された、接合されたウェーハ・ペア20、30を集めるために、ロボットアーム80はエンド・エフェクタ100を接合デバイスに戻し、それが接合ステーション400から取り除かれる。いくつかの実施例においては、アライメント・デバイス300および接合ステーション400は同じリアクターに組み込まれる。

図４は、本開示の最初の典型的な実施例に従って、処理チャンバへ、およびその処理チャンバから整列したウェーハを搬送するために使用されるエンド・エフェクタ100を描いている。エンド・エフェクタ100は、Ｙ形の固定フレーム110、およびそのフレーム110の最上部の上に配置された、フローティング・キャリヤー120を含んでいてもよい。１例において、フレーム110は、ウェーハ20、30の半径とほぼ一致する半径を備える半円形内側境界110aを有する。他の例において、フレーム110は、Ｙ形、またはフォーク形状の内側境界を有する。同様に、キャリヤー120は、ウェーハ20、30の半径とほぼ一致する半径を備える半円形内側境界120aを有する。本開示に従って、フローティング・キャリヤー120の半円形内側境界120aは、完全なリング、例えば360°、が形成される前に終了する端部を有する部分的なリング構造として理解されるかもしれない。図４に示すように、半円形内側境界120aの構造は、実質的に180°回転を含む部分的なリング形状、若しくは270°までの部分的なリング形状の他のデザインを備えたフローティング・キャリヤー120から形成されてもよい。また、フローティング・キャリヤー120の他の部分的なリング構成も本開示の範囲内で考慮される。

フローティング・キャリヤー120は、フレーム110の平面に平行に配向し、そこから間隔を有して配置された実質的な平面構造から形成されてもよい。フローティング・キャリヤー120は、３つの真空パッド122a、122b、122cのような多くの真空パッドを含んでもよく、これらは半円形内側境界120aの中心軸119の方向へ内部に突出している。３つの真空パッド122a、122b、122cは、内側境界120aの３つ以上の位置111a、111b、111cに配置されてもよい。図５に描かれているように、真空パッド122a、122bおよび122cは、上部ウェーハ20のエッジを保持するために使用されてもよい。

図５は、本開示の最初の典型的な実施例に従って、１組の整列したウェーハ20、30を保持する図４のエンド・エフェクタ100の上面図を描いている。図６は、本開示の最初の典型的な実施例に従って、１組の整列したウェーハ20、30を保持する図４のエンド・エフェクタ100の下面図を描いている。図４−６を参照して、エンド・エフェクタ100はその上面側にフローティング・キャリヤー120を有することが理解されるであろうし、一方、フレーム・メンバー110はその下面側に配置される、ことが注目される。その上面上の整列したウェーハ・ペアの両方のウェーハを運ぶ従来の搬送装置とは異なり、例えば、図２Ａ−２Ｃと比較して述べるように、エンド・エフェクタ100は、フレーム・メンバー110のアーム内部のウェーハ20、30を運ぶことができ、そしてフローティング・キャリヤー120の拡張リップの下の位置に運ぶことができる。図５および図６に示されているように、このデザインは、ウェーハ20、30のエッジを、フレーム・メンバー110およびフローティング・キャリヤー120の内側境界110a、120aの周りの様々な位置で、例えば、３つのクランプ／スペーサー・アセンブリ130a、130bおよび130cによる３つの位置111a、111b、111cで、固定フレーム110とフローティング・キャリヤー120との間に保持させる。特に、上部ウェーハ20は、図５に示すように、フローティング・キャリヤー120の下面の真空パッド122a、122bおよび122cに対向して配置され、保持される。一方、下部ウェーハ30は、機械的クランプ132a、132bおよび132cで保持される。

図７は、本開示の最初の典型的な実施例に従って、１組の整列したウェーハを保持する図４のエンド・エフェクタの部分的に透視した下面図を描いている。図８Ａは、本開示の最初の典型的な実施例に従って、１組の整列したウェーハを保持する図４のエンド・エフェクタの一部の断面図を描いている。図４−８Ａに関して、エンド・エフェクタ100は、ウェーハを保持し、および／または一定間隔で配置するために、例えばフレーム・メンバー110の内側境界110aの周りのアセンブリ130a、130bおよび130cのような、複数のアセンブリを更に含んでもよい。アセンブリ130a、130bおよび130cは、真空パッド122a、122bおよび122cの一定間隔で配置された位置と実質的に一致する一定間隔位置に配置される。アセンブリ130a、130bおよび130cの各々は、キャリヤー・スペーサー・フラグ136a、136bおよび136c、機械的クランプ132a、132bおよび132c、およびリミット機構134a、134bおよび134cをそれぞれ含んでいる。

リミット機構134a、134b、134cは、フローティング・キャリヤー120および固定フレーム110を一緒に緩く弱結合させて、保持している。図８Ａに示すように、ギャップ121は、フローティング・キャリヤー120と、リミット機構134a、134bおよび134cのそれぞれとの間に形成されている。ギャップ121は、フローティング・キャリヤー120の振動を固定フレーム110から切り離すのに貢献しており、それはエンド・エフェクタ100を運ぶロボットにおいて生じる振動をフローティング・キャリヤー120に伝わることを防止し、また、どのような荒い、即ちストレスの多い接触も回避することができると共に、フローティング・キャリヤー120を上部ウェーハ20のチャック基準面に適合した方法で固定することができる。フローティング・キャリヤー120は、リミット機構134a、134bおよび134cによって緩くガイドされ、固定フレーム110に対して、図８Ａの方向90に沿って上下に移動するように構成されている。リミット機構134a、134b、134cは、１例において、変化する設計を有するかもしれないが、リミット機構134a、134b、134cの下側部分は、フレーム・メンバー110にネジにより接続されており、一方、上側部はフローティング・キャリヤー120に対して移動可能である。例えば、リミット機構134a、134bおよび134cの上側部分は、窪んだ空洞の内部に、例えば図８Ａの凹部空洞135aの内部に配置可能であるヘッドを有しており、フレーム・メンバー110に対して方向90にフローティング・キャリヤー120の規制された移動を許可し、それによりギャップ121の最大寸法の調整を可能とする。さらに、凹部空洞に対するリミット機構134a、134bおよび134cの寸法は、少量の側面クリアランスを提供するために選択され、フローティング・キャリヤー120がフレーム・メンバー110に対してわずかに横に調整される。

キャリヤー・スペーサー・フラグ136a、136b、136cは、それらがエンド・エフェクタ100によって受け取られる場合、互いからのウェーハ20、30を一定間隔で配置するために使用される。１例において、キャリヤー・スペーサー・フラグ136a、136b、136bは窒化チタンでコーティングされたステンレス・スチール本体から構成されるが、また各種の材料およびコーティング材料が使用されてもよい。キャリヤー・スペーサー・フラグ136a、136b、136cは、３つの位置111a、111b、111cに対応するウェーハ20のエッジの真下に挿入され、そこで、図８Ａに示すように、ウェーハ30がスペーサー・フラグ136a、136b、136cの真下に重ねられる。そこで、２つの重ねられたウェーハ20、30は、対応する３つの位置111a、111b、111cにおいて、クランプ132a、132b、132cと一緒にクランプされる。スペーサー・フラグ136a、136b、136cは、方向92に沿って水平に移動するように構成されており、クランプ132a、132b、132cは、下部ウェーハ30と接触するように、軸回転運動、直線スライドに沿った運動、カム式運動、またはその組み合わせで動くように構成されている。例えば、１例において、クランプ132a、132b、132cは、半円形内側境界120aの軸と実質的に平行なピボット軸の周りを回転する。

また、図７は、ボンダ・スペーサー・フラグ138a、138b、138cを描いており、それらが接合デバイスの内部に配置された場合、２つの重ねられたウェーハ20、30を一定間隔で配置するためにボンディング装置によって使用されるスペーサー・フラグである。図に示すように、ボンダ・スペーサー・フラグ138a、138b、138cは、エンド・エフェクタ・スペーサー・フラグ136a、136b、136cの近接位置に配置され、それはフローティング・キャリヤー120の半円形内側境界の周りの実質的に等距離の間隔に配置されている。

いくつかの用途において、中心にセンタリングするおよび／または固定する機構をエンド・エフェクタ100に備えること、および／またはフレーム・メンバー110にフローティング・キャリヤー120を固定することは望ましいかもしれない。図８Ｂは、本開示の最初の典型的な実施例に従って、１組の整列したウェーハを保持する図４のエンド・エフェクタの断面図を描いている。具体的には、図８Ｂは、動いているテーパ・ピン105を利用するセンタリング機構104を示しており、テーパ・ピン105は、使用のサイクル毎の間で、フレーム・メンバー110にフローティング・キャリヤー120の再センタリングすることを可能とする。ピン105は、モーターによって、または固定キャリヤー110の軸上の空気圧式作動によって、高精度にガイドされ駆動される。ピン105は、フレーム・メンバー110の第１の孔105aの内部に配置され、フローティング・キャリヤー120の精密適合孔105bを係合する。ピン105は再センタリングの目的のために使用されてもよく、またはフレーム・メンバー110にフローティング・キャリヤー120を移動規制するために搬送の間に使用されてもよい。他の設計においては、ピン105は、フレーム・メンバー110とフローティング・キャリヤー120との間の距離が非常に小さい時、即ち、ピン105自身の長さより短いとき、フローティング・キャリヤー120の精密適合孔105bと係合するフレーム・メンバー110上に位置する固定ピンであってもよく、そしてフローティング・キャリヤー120がフレーム・メンバー110上に戻った時、リセットされる。

また、図８Ｂは、フローティング・キャリヤー120にフレーム・メンバー110を固定するために使用されるかもしれない、機械的クランプ106の使用を示す。機械的クランプ106は、固定キャリヤー110に取り付けられ、そしてフレーム・メンバー110をフローティング・キャリヤーに係合させるために、フローティング・キャリヤー120をフレーム・メンバー110に保持するために、そしてフローティング・キャリヤー120の位置変更を避けるために、垂直方向または回転方向に移動することができる。

図８Ｃは、本開示の最初の典型的な実施例に従って、１組の整列したウェーハを保持する図４のエンド・エフェクタの断面図を描く。図８Ｃにおいて、統合固定再インデックス・ピンおよび真空溝は、フローティング・キャリヤー120にフレーム・メンバー110をクランプするために使用される。図示されているように、フレーム・メンバー110は、孔105bに延びるピン106、フローティング・キャリヤー120、およびフローティング・キャリヤー120とインタフェースするフレーム・メンバー110の表面に位置する複数の真空溝108を有する。フレーム・メンバー110に対してフローティング・キャリヤー120を付勢するために、負圧が真空溝108に加えられ、一方、ピン106がフレーム・メンバー110にフローティング・キャリヤー120を中心に配置するように作用する。

図８Ｄは、本開示の最初の典型的な実施例に従って、保管ステーションに配置された図４のエンド・エフェクタの断面図を描いている。図示するように、フレーム・メンバー110とフローティング・キャリヤー120の内部の孔105a、105bは、異なるエンド・エフェクタ100毎に変更するように、エンド・エフェクタ100で受け渡しプロセスにおいて使用されてもよい。具体的には、図１０Ａに関して記述されているように、エンド・エフェクタ100を運ぶロボットアームは、外へ伸びるピン88を持つ保管ステーション86の近くにエンド・エフェクタ100を配置する。ピン88が孔105a、105bに係合するまで、エンド・エフェクタ100は保管ステーション86のピン88上にガイドされる。一旦、ピン88が孔105a、105bの内部に配置されると、ロボットアームは、エンド・エフェクタ100から外れて、エンド・エフェクタ100を保管ステーション86上の安全に収容できる位置に置く。ロボットアームは、異なるエンド・エフェクタ100毎に素早く変更し、それが使用されていないとき、ピン88を伴う保管ステーション86は、エンド・エフェクタ100を安全に保管する。

エンド・エフェクタ100が接合デバイスから外された時、エンド・エフェクタ100の高い温度が、フレーム・メンバー110、またはエンド・エフェクタ100の別の部分に配置された一体的な熱電対を使用してモニターされることはさらに注目される。別のデザインにおいては、保管ステーション86は、それが保管ステーション86の中に安全に収納された時、エンド・エフェクタ100の熱を監視することを可能とするように熱電対を備えていてもよい。さらに、エンド・エフェクタ100が保管ステーション86に配置された時、自然冷却、または冷却デバイスのいずれかにより、より低い温度にそれを冷却されることが望ましい。

図９は、本開示の最初の典型的な実施例に従って、異なるサイズのウェーハを保持するために調整可能な真空パッド122a、122bおよび122cを備えるエンド・エフェクタ100の下面図を描いている。図示されているように、真空パッド122a、122bおよび122cは、半円形内側境界120aに沿って、例えば、方向123a、123bに沿って、それらがより近づき、そして半円形内側境界120aの中心点の方へより移動するように、半径方向に調整されうるように、フローティング・キャリヤー120に移動可能に接続される。図９は、２つの典型的な位置における真空パッド122a、122bおよび122cの一般的なアウトラインを示す破線のボックスを示す。一つは、それらがより小さなウェーハサイズ22bを保持するように中心点の方へより接近して配置されており、もう一つは、それらがより大きなウェーハサイズ22aを保持するように中心からさらに離れた位置に配置されている。真空パッド122a、122bおよび122cは、複数の違ったサイズのウェーハに適合するように様々な大きさに調整可能である。

図１０Ａ−１０Ｂは、本開示の最初の典型的な実施例に従って、ロボットアーム80で使用中のエンド・エフェクタ100を描いている。図示されているように、エンド・エフェクタ100は、（図１０Ａにおいて概略的に示されている）ロボットアーム80に移動可能に取り付けられており、支持される必要のあるウェーハのサイズおよび数量に応じて、異なるサイズあるいは異なる形状のエンド・エフェクタに交換される。ロボットアーム80は、アライメント・デバイス300からエンド・エフェクタ100上に運ばれたウェーハ20、30を外すためにアライメント・デバイス300の近くに配置してもよい。また、ロボットアーム80はボンディング・デバイス(図示せず)の近くにあってもよく、それによりウェーハ20、30は、ロボットアーム80の端部でツール交換機84を使用して、処理ユニットの間で搬送されうる。一実施例において、ツール交換機84はシュンク形式（Schunk Type）のSWS-011であってもよいが、他のツール交換機が同様に使用される。従来の搬送取付具と比較すると、エンド・エフェクタ100は、ロボット負荷を著しく低減する低減された重量を有している。また、エンド・エフェクタ100は、例えば、上部および下部のウェーハ20、30の相対的な垂直位置をそれぞれ切り替えるために、ロボット80の交換82の軸に関して、整列したウェーハ20、30のペアをひっくり返す必要がなく、全般的により容易な取り扱いとなり、アライメントの変化のリスクをより低減する。

図４−１０Ｂに関して述べたエンド・エフェクタ100を使用して、ウェーハ・ペア20、30はアライメント・デバイス300の内部のアライナに配置され、当分野における既知の方法とプロセスに従って整列される。一旦、整列されたならば、エンド・エフェクタ100はアライナから整列したウェーハ・ペア20、30を取り外すために使用される。図１１Ａ−１１Ｈ、本開示の最初の典型的な実施例に従って、図４のエンド・エフェクタ100でアライナから整列したウェーハ・ペア20、30から取り外すステップの断面図を概略的に示す。図のそれぞれは、一般的に、エンド・エフェクタ100の単一のアセンブリ130aだけを示しているが、同一または同様の機能がエンド・エフェクタの３カ所以上で同時に、または予め決められた異なる時間で生じるように、同じ機能がエンド・エフェクタ100に含まれる他のアセンブリによって達成される、ことを意味している。

最初に、図１１Ａは、互いに整列した、そしてアライメント・デバイス300の上部ウェーハ・チャック320および下部ウェーハ・チャック330に接して保持されたウェーハ20および30を描く。アライメント・デバイス300において、上部ウェーハ・チャック320を運ぶ上位ステージは固着されており、一方、下部ウェーハ・チャック330を運ぶ下部ステージは、垂直方向、即ち、98で示されるｚ方向に移動可能である。ウェーハ20、30は、ｘ方角、例えば図１１Ｂにおける方向92、（ページから出る）ｙ方向、およびウェーハが並列となるように互いに角度的に整列されている。ウェーハ20、30は、それぞれエッジ20e、30eを有しており、エッジ20e、30eは、アライメント・デバイス300のチャック320および330の側面から突出している。

図１１Ｂに示すように、エンド・エフェクタ100は、方向91に沿ってアライメント・デバイス300のチャック320および330の側面に接近して、取り外しプロセスを開始する。概略的に示すように、エンド・エフェクタ100はロボット(図示せず)にフィットするフレーム・メンバー110を有しており、一方、フローティング・キャリヤー120は方向90に沿ってフレーム・メンバー110に対して移動可能である。記述を分かりやすくするために、フレーム・メンバー110は、エンド・エフェクタ100が取り付けられるロボットの端部に対して固定であるという点に関して固定されていると考慮され、一方、フローティング・キャリヤー120は、エンド・エフェクタ100が取り付けられるロボットの端部に対して移動可能であるという点に関して移動可能であると考慮される。リミット機構134aはフレーム・メンバー110に接続され、フローティング・キャリヤー120の孔135aの内部に配置され、リミット機構134aと孔135aの側面との間のクリアランスは、方向92に沿ったフレーム・メンバー110に対するフローティング・キャリヤー120の少しの側方運動を可能とする。

図１１Ｂにおいて示されているこの開始状態において、エンド・エフェクタ100は、様々なクランプおよび格納されたスペーシング・デバイスを備えた、開放構成のアライメント・デバイス300に近接して配置されている。フローティング・キャリヤー120は、固定キャリヤー110で接合されるか、または接触位置にある。次に、図１１Ｃに示されているように、フローティング・キャリヤー120はフレーム・メンバー110から分断されており、一方、エンド・エフェクタ100は方向97b、ｚ方向に沿って下方へ移動する。フレーム・メンバー110からのフローティング・キャリヤー120の分断は、エンド・エフェクタ100を運ぶロボットにおける小さな振動がアライメント・デバイス300に伝わること、ウェーハ20、30の予期せぬ動きをすること、およびそれらを整列されていない状態にすることを防止することにおいて重大なことである。エンド・エフェクタ100の移動は、真空パッド122aがウェーハ20のエッジ20eの天面に接触するまで、数ミリメートルだけかもしれないし、キャリヤー・スペーサー・フラグ136a、136b、136cがウェーハ20のエッジ20eの底面の下となるように、固定フレーム110とフローティング・キャリヤー120との間の距離が増加する。この位置において、任意には、真空パッド122aを、上部ウェーハ20にフローティング・キャリヤー120が効果的に接触するか、固定するように作動してもよい。

次に、図１１Ｄにおいて、スペーサー・フラグ136aは、方向92a、ｘ方向に沿って水平に移動して、それがウェーハ20のエッジ20eの底面と、ウェーハ30のエッジ30eの天面との間に配置される。スペーサー・フラグ136a、136b、136cは、ｚ方向に柔軟であり、表面上に如何なる大きな力を加えることなく、ウェーハ20e、30eの表面に適合することができる。次に、図１１Ｅに示されているように、ウェーハ30のエッジ30eの天面が、ウェーハ20、30の間のギャップを形成するスペーサー・フラグ136aの底面に接触するまで、下部ウェーハ・チャック330は方向96aに沿って上昇する。次に、クランプ132aは、ウェーハ30のエッジ30eの底面と接触し、かつ図１１Ｆに示されているように、ウェーハ20、30のエッジ20e、30eの間に挿入されたスペーサー・フラグ136aと一緒にエッジ20e、30eをクランプするように移動される。この位置において、ウェーハ20、30は、その間のスペーサー・フラグ136aと一緒に固定され、それらのすべてはエンド・エフェクタ100によって保持される。ウェーハ・ペア20、30をアライメント・デバイス300から外すために、上部ウェーハ・チャック320が除かれてもよく、そこで、下部ウェーハ・チャック330が、方向96bのｚ軸に沿って下方に下がり中間位置に移動され、それによって、上部ウェーハ20と上部ウェーハ・チャック320との間に一定間隔が形成される。そこで、下部ウェーハ・チャック330の真空は解除されて、整列したウェーハ・ペア20、30がエッジ20e、30eで完全にエンド・エフェクタ100により保持されるまで、それは、さらにｚ方向の下方に移動され、そして図１１Ｈに示されているように、アライメント・デバイス300から搬送されるように準備される。

図１２は本開示の最初の典型的な実施例に従って、ウェーハ・アライメント・デバイス300の概略図である。ウェーハ・アライメント・デバイス300は、図１１Ａ−１１Ｈのプロセスにおいて使用されるアライナの一例としての機能を果たすであろう。図１２に示すように、アライメント・デバイス300は、さらに、ｚ軸空気圧のスペーサー・フラグ・キャリッジ360、固定サポート・ブリッジ365、サポート・フレーム390、上部サブストレート・チャック320、下部サブストレート・チャック330、およびWECスペーサー・フラグ機構380を含んでもよく、これらは、普通に所有され、その内容はここに参照することにより組込まれる「半導体ウェーハ・アライメントのための装置および方法（APPARATUS AND METHOD FOR SEMICONDUCTOR WAFER ALIGNMENT）」とタイトルをつけられた米国特許第8,139,219号明細書に述べられている。

図１３Ａ−１３Ｈは、本開示の最初の典型的な実施例に従って、図４のエンド・エフェクタでボンダに整列したウェーハ・ペアを装填するステップの概略の断面図を描いている。整列したウェーハ20、30が搬送され、ロボットアーム80およびエンド・エフェクタ100で搭載される処理ステーションの１つがボンダ400である。図１３Ａは、ウェーハがボンダ・チャンバ410内に配置される前のアイドル状態におけるボンダ400を描いている。ボンダ400は、下部チャック430と、ボンダ・チャンバ410の上下に配置される上部チャック420とを含み、これらの両方はウェーハを接合するために加熱状態を維持することができる。上部および下部チャック420、430の一方または両方は、ｚ軸に沿って垂直に移動可能である。多くのボンダ400の設計においては、チャックのうちの１つだけが移動可能であり、他方が静止したままでもよい。ボンダ・スペーサー138aは、ボンダ400に含まれ、ボンダ・スペーサー・フラグ138aが下部チャック430と垂直に移動するように、ボンダ400の下側ステージに取付けられてもよく、それにより、下部チャック430に対する相対的位置が一定に維持される。図のそれぞれは、本開示の明瞭性のために単一のボンダ・スペーサー・フラグ138aだけを説明するが、同一または同様の機能がボンダにおける３つ以上の地点で同時または異なる時間であるが予め決められた時間に生じるように、３つ以上のボンダ・スペーサー・フラグ138a、138b、183c(図７)がボンダ400において使用されてもよいことに留意すべきである。

エンド・エフェクタ100を使用する接合プロセスは、従来の搬送設備を使用した接合プロセスと本質的に異なる。従来の搬送設備は、接合デバイスへ整列したウェーハを搬送し、接合プロセスの期間を通して接合デバイスの中に残らねばならない。対照的に、本開示のエンド・エフェクタ100は、接合デバイスに整列したウェーハの搬送を可能とし、次に、接合プロセスの前に接合チャンバから取り除かれる。従って、従来の搬送設備が条件とする温度500°Cおよび１時間の持続時間と比較して、エンド・エフェクタ100は、接合デバイス(例えばほぼ300°C)におけるアイドル温度の短い時間だけを条件とする。その結果、エンド・エフェクタ100は、機械的および熱的なストレスを殆ど経験することなく、効率を向上させ、コストを低下させるより少ないメンテナンスしか要求することがない。

全体的に見て、本開示に係る接合は、ウェーハ間に挿入されるボンダ・スペーサーフラグ138aの使用により、一部分において達成され、それにより、エンド・エフェクタ・スペーサー・フラグ136a、136bおよび136cを取り外すことが可能となり、また全体のエンド・エフェクタ100を接合チャンバから取り除くことが可能となる。その後、整列し一定間隔で配置されたウェーハは、ピン455a、455bおよび455cでピンで留めされ、次に、接合圧がピンで留められたウェーハ20、30に加えられる。一旦接合が完了すると、エンド・エフェクタ100は接合デバイスから接合されたウェーハを取り除くために使用される。

エンド・エフェクタ100でボンダ400の中にウェーハ20、30の整列したペアを装填するためのプロセスの追加の詳細は、図１３Ｂ−１３Ｈと比較して提供される。まず図１３Ｂを参照すると、整列され保持されたウェーハ20および30は、エンド・エフェクタ100により運ばれ、ボンダ・チャンバ410内に挿入される。このボンダの構成においては、上部チャック420が固定され、そして下部チャック430がｚ駆動450によって方向425に沿って移動可能であるが、ボンダ400としては移動可能であり固定されたチャックの如何なる構成も有していることに留意すべきである。以前に述べたように、エンド・エフェクタは、クランプ・アセンブリ130a、130bおよび130cで、ウェーハ20、30のエッジ20e、30eを保持し、ウェーハ20、30は、方向99に沿ってボンダ・チャンバ410に挿入されて、その結果、エッジ20e、30eは、図１３Ｂに示すように、ボンダ400の装着側から突出する。この開始状態においては、フローティング・キャリヤー120がフレーム・メンバー110と接触し、そしてウェーハ・エッジ20e、30eは一緒にクランプされる。

次に、図１３Ｃに示すように、クランプされたウェーハ20、30を伴うフローティング・キャリヤー120は、それが方向90bに沿って下方へ移動し、ウェーハ20、30が下部チャック430の上に配置されるように、フレーム・メンバー110から切り離される。その結果、ウェーハ30の底面は、下部チャック430の上面と接触する。多くの代替手段の一つにおいて、クランプされたウェーハ20、30を伴うフローティング・キャリヤー120は、方向90aに沿って上昇し、ウェーハ20、30は上部チャック420の底面上に配置され、その結果、ウェーハ20の上面は、上部チャック420の底面に接触する。示されているように、下部チャック430は、下部チャック430の周囲の部分に沿って１つ以上の切り欠き432を有しており、それはボンダ400内にウェーハ20、30を配置するようにエンド・エフェクタ100のための適切なクリアランスを可能にしてもよく、例えば、ウェーハ20、30の外側エッジは、本質的に上部および下部チャック420、430の周囲に実質的に整列されうるものである。次に、エンド・エフェクタ・スペーサー・フラグ136aが、ウェーハ20、30の間の位置に残っている間、１以上のピン455aは、図１３Ｄに示されているように、１つ以上の場所でウェーハ20の上面と接触する。

産業分野においては、生産を増加させるのに可能な限り効率的にウェーハを接合することは望ましいことである。接合されたウェーハ・ペアの生産を増加させるための１つの技術としては、積極的にウェーハを接合しない場合でさえ、ボンダ400において高温を維持することであり、それにより、各サイクル毎に処理温度に達するようにボンダ400のために必要な時間を減少させている。しかしながら、既に加熱した、例えば400°C程度に加熱したボンダ400の内部に整列したウェーハを配置することは、ウェーハ20、30の整列に影響を与える場合がある。例えば、ウェーハ20、30がこの種の加熱した環境にさらされることは、放射状に拡大するウェーハ20、30をもたらすため、ウェーハ20、30を一緒に素早く、できるだけ正確にピンで留めることが望ましい。ウェーハ20、30を異なる位置にピンで留めることは可能であるが、その半径方向のエッジに沿っての代わりに中心点でウェーハ20、30を一緒にピンで留めることが望ましく、それによって、オフセット点からのウェーハ20、30の熱膨張が、不整列を引き起こすという状況を防止する。図１３Ｄ−１３Ｆにおいて、ピン455aは、ウェーハ20、30の中心に配置されたものを示すが、図１５Ａ−１５Ｃに比較して述べるように、ピン455aの数およびこれらのピンの位置は変わる場合がある。

その後、図１３Ｅに示すように、ウェーハ20、30が１本以上のピン455aで保持されている間、ウェーハ20、30のエッジ部に近接して配置された１つ以上のボンダ・スペーサー・フラグ138aが、方向411bに沿って、ウェーハ20、30の間に挿入される。ボンダ・スペーサー・フラグ138aは、エンド・エフェクタ・スペーサー・フラグ136aより薄くてもよい。したがって、それらは、エンド・エフェクタ・スペーサー・フラグ136aの周りでクランプされたウェーハ20、30の間に挿入されうる。一例において、ボンダ・スペーサー・フラグ138aは約100ミクロンであり、エンド・エフェクタ・スペーサー・フラグ136aは約200ミクロンである。

次に、クランプ132a、132b、132cが解放されて、図１３Ｆに示すように、それらは、ウェーハ30の底面のエッジ30eから外れる。クランプは、例えば、一致して、連続して、またはその組み合わせ等で予め決めたルーチンに従って、取り外されることに注意すべきである。クランプ132a、132bおよび132cが解放された後、図１３Ｇに示すように、エンド・エフェクタ・スペーサー・フラグ136aは、方向92bに沿って、２つのウェーハ20、30の間の空間から取り外される。３つ以上のボンダ・スペーサー・フラグ138aは、ウェーハ20、30の周囲においてウェーハ20、30の間の位置に残る。一般的に、図９に示すように、ボンダ・スペーサー・フラグ138aは、ウェーハ20、30の周囲に沿ったエンド・エフェクタ・スペーサー・フラグ136aの位置に近接して配置されるであろう。エンド・エフェクタ・スペーサー・フラグ136aが取り外された後、ウェーハ20、30の間の一定間隔のギャップは、ウェーハ20、30の間に残る近くのボンダ・スペーサー・フラグにより、図１３Ｇ−１３Ｈに示すように、依然として存在するかもしれない。

最終的に、図１３Ｈに示すように、真空パッド122a、122b、122cが下部チャック430の上にピンで留められたウェーハ20、30を残してウェーハ20のエッジ20eの上面から外れるまで、エンド・エフェクタ100は、方向97aに沿って上昇する。この段階において、図１３Ｉに示すように、エンド・エフェクタ100はボンダ400から完全に外れ、そして、ウェーハ接合が始められる。ウェーハ接合プロセスの初期段階では、ウェーハ20、30は、ボンダ・スペーサー・フラグ138aの近くで一緒に接合される。力を加える前に、ボンダ・スペーサー・フラグ138aは、外される。接合プロセスの完了後、接合されたウェーハ・ペア20、30はエンド・エフェクタ100でボンダ400から取り外される。

図１４は、本開示の最初の典型的な実施例に従って、図４のエンド・エフェクタを受け取るように配置されたボンダを描いている。具体的には、図１４のボンダ400は異なったデザインで、固定され、そして移動可能な要素を有していてもよい。図１３Ａ−１３Ｈにおいては、上部チャック420が固定され、下部チャック430がz軸に沿って移動可能であるように、ボンダ400がデザインされている。図１４に示すボンダ400のデザインでは、上部チャック420の底面が上部ウェーハの上面と接触するまで、下部チャック430は固定され、上部チャック420は方向426に沿って移動する。ボンダ400の上部および／または下部のチャック420、430の動きにおける全ての変化は、本開示のデバイス、システムおよび方法で使用されるであろう。

図１５Ａ−１５Ｃは、ボンダにおいて使用されるピンにおける変化を説明している。図１５Ａは、本開示の最初の典型的な実施例に従って、単一のセンタピンにより２つのウェーハをピン留めしている概略図を描いている。図１５Ｂは、本開示の最初の典型的な実施例に従って、センタピンおよびオフセンタ回転防止ピンにより２つのウェーハをピン留めしている概略図を描いている。図１５Ｃは、本開示の最初の典型的な実施例に従って、３本の周辺ピンにより２つのウェーハをピン留めしている概略図を描いている。図１５Ａ−１５Ｃを一緒に参照して、１つ以上のピン455a、455b、455cは、１箇所以上の異なる位置においてウェーハ20の上面との接触をもたらす。図１５Ａに示すように、ウェーハ20、30の中心に配置された単一のピン455aを使用することは好ましいであろう。中心に単一のピン455aを使用することは、不整列を経験することなくウェーハ20、30が熱的に拡張することができるであろう。

１つの代替においては、図１５Ｂに示すように、ウェーハ20、30は２のピン455a、455bで留められてもよい。ここで、ピン455aはセンタピンであり、ピン455bは回転防止ピンであり、ピン455bがウェーハ20、30の回転を防止するものである。このデザインにおいては、センタピン455aは、回転防止ピン455bよりウェーハ20、30に対してより大きなピン留め力が加えられるであろう。さらに、ウェーハの熱膨張に対して適合するように、ウェーハ20、30の半径に沿って移動可能である点において、オフセンタピン455bは、半径方向に撓みがあってもよい。図１５Ｃに示される別の選択において、３つのピン455a、455b、455cは、例えばボンダ・スペーサー・フラグ138aのそれぞれの近くのように、ウェーハ20、30の周辺にそれらが配置されて、使用されてもよい。それらは、ウェーハ20、30の周囲に実質的に等距離の間隔を有して、例えば、120度互いに離れて配置されてもよい。さらに、これらの構成の組み合わせ、または明確に示されていない他のピン配置の構成を使用することが可能である。例えば、図１５Ｃの３本の周辺ピンと共に図１５Ａのセンタピンを使用することは好ましいであろう。

図１６は、本開示の最初の典型的な実施例に従って、典型的なウェーハ・ボンダの概略図である。図１６に示すように、ボンダ400は、膜力およびモーター位置決めを伴う圧力ヘッド460、圧力プレートと上部ピン455を備えるボンド・ヘッド470、ボンダ・スペーサー・フラグ機構480、サンドイッチ・プレートとパージ機能を備える下部ヒーター490、および固定ｚ軸サポート・コラム495を、さらに含む。これらの、およびボンダ400の他の要素は、「半導体接合のための装置および方法（APPARATUS AND METHOD FOR SEMICONDUCTOR BONDING）」とタイトルをつけられた米国特許7,948,034号明細書に記載されており、それは普通に所有されており、その内容は、参照によって明らかにここに組込まれる。

図１７は、本開示の最初の典型的な実施例に従って、ウェーハ・ボンダ400と共に使用される、典型的なボンダ・スペーサー・フラグ機構480の概略図である。図１６−１７を参照して、ボンダ・スペーサー・フラグ機構480は、整列したウェーハ・ペア間への挿入および収縮位置の間でボンダ・スペーサー・フラグ138a、138b、138c(図７に示される)を移動させるために使用してもよい。一例において、ボンダ・スペーサー・フラグ機構480は、ｚ軸カラム495の周りに配置され、下部ヒーター490の下にあるリング484に実装された空気圧ピストン482を有してもよい。空気圧ピストン482は、ボンダ・スペーサー・フラグ138aをサポートするシェルフ486を運ぶ。空気圧ピストン482が起動されたとき、それは半径方向に接合領域の中心に向かって、そして半径方向に接合領域の中心から離れて移動可能である。ボンダ・スペーサー・フラグ138aの移動は、シェルフ486が滑るレール488によってガイドされる。これらの構成は、ボンダ・スペーサー・フラグ138aが半径方向の撓みを持つことを許可しても良く、それによりボンダ・スペーサー・フラグ138aを、ウェーハが熱膨張を経験するとき、ウェーハ20、30と共に半径方向に移動することが可能となる。また、空気圧で制御されるデバイスを越える他の機械的および電気的なデバイスが、ボンダ・スペーサー・フラグ138aを動かすように使用されてもよい。

従来の接合デバイスは、ウェーハを圧縮するために１本以上のピンを使用していたが、これらのデバイスは、制限された力をピン上に制御している。一例において、従来のピンは、圧縮ばね、またはウェーハに一定圧力だけを加えることができる同様のデバイスにより生み出された単一の力を有する。その結果、上部および下部チャックがウェーハを圧縮した時、ピンで整列されたウェーハの領域は、チャックにより接触されたウェーハの領域より、より少ない圧力が加えられており、それは、ピンと接するウェーハの部分に機械的に高い歩留まり損失を引き起こしていた。同時に、従来のピンの低い熱伝導率は、ピンで整列されたウェーハの部分に熱的に高い歩留り損失を引き起こしていた。これらの問題は、従来のピンが大きな径を持ち、大きな周辺ギャップ、一般的に、周りに１２mm−１４mmのギャップを有するという事実と結合したとき、機械的および熱的に高い歩留り損失がウェーハ接合において重大な非効率なものとなることが加わる。

これらの問題を克服するために、本開示は、機械的な歩留り損失および熱的な歩留まり損失の両方を減少させるピン455aを検討するものである。このような目的で、図１８Ａ−１８Ｂは、本開示の最初の典型的な実施例に従って、ピン455aの一例の概略図である。図示されているように、ピン455aは、ウェーハ(図示せず)が接合のために配置されるであろうボンダ・チャンバ410の領域の中にそれが移動可能となり得るように、接合デバイスの上部チャック420を通って延びていてもよい。一例において、ピン455aは、直径５mmであり、ピン455aに上部チャック420とのクリアランスを約０．５０mm与えるために、上部チャック420内の口径６mmの内部に配置されている。ピンと概ね１２mm−１４mmのギャップ径がある従来技術のピンと比較して、ギャップと共に６mmの直径を有するピン455aは、機械的に高い歩留まり損失を大幅に改善することができる。さらに、機械的力を提供するために圧縮ばねを使用する従来のピンと異なり、ピン455aは、ウェーハ上のピン455aの力を制御するように空気式アクチュエータを使用することができる。その結果、ピン455aによって加えられた圧力は、チャックの圧力と実質的に一致するように選択することができ、それにより、機械的な歩留り損失がさらに低減される。

ピン455aは、チタン、窒化ケイ素セラミックのようなセラミック、または他の材料により構成されており、そしてセンタピン502を含んでいる。センタピン502は、ピン455aの底部に沿って配置された下側チューブ、即ちスリーブ504、および薄い壁を有し、ピン455aの上部に沿って配置された上側チューブ、即ちスリーブ505により取り囲まれている。下側スリーブ504および上側スリーブ505は、溶接または別の技術等によりセンタピン502に近接した継ぎ目で互いに接続されていてもよい。センタピン502は、平坦なピン・チップ506を含んでもよい。上側スリーブ505は、図１８Ｂに関連してさらに説明しているように、取り囲まれたチャック420、および／またはそのチャック420の上に配置されたヒーター526に隣接するヒーターピン420により積極的に加熱されてもよく、またセンタピン502は取り囲まれたチャック420により加熱されてもよい。さらに、ピン455aの構成と適合する抵抗加熱要素でピン455aの構成を加熱することは可能である。いくつかのデザインにおいては、チャック420からの受動的な加熱および抵抗素子加熱からの積極的な加熱の両方が、ピン455aの各種構成要素を加熱するために使用されてもよい。

ピン455aは、チップの近くで半径方向に撓んでもよく、ピン・チップ506を許可するよう位置決めする頂部中心が、＋／−０．５mmで中心となるように、予め装填されている。ピン455aを予め装填することは、起動したとき、ピン455aが自然に中心に配置されることを可能とするが、また一旦圧力下となったとき、ピン455aを半径方向に撓むことを可能にする。その結果、ピン455aは、ウェーハ上に垂直力を加えることを維持することができる。

ピン455aの追加の機構は、図１８Ｂに詳細に示されている。ピン455aは、またピーク・ブッシングとして知られたセンタピン・ブッシング512を有するセンタ・ハウジング510の内部において実質的に中心に配置されている。センタピン・ブッシング512の自体には、ピン455aを位置決めするために使用される短い長さと直径との比514を持つブッシング・フィットを有している。センタピン・ブッシング512は、ボンダ400の周囲の機構からピン455aの電気的な分離を提供しており、ボンダ400は、ウェーハを接合するために著しく高い圧力が使用される陽極接合プロセスにとって重要である。また、チャンバ・リッド516およびスチール・フォース・リアクション・プレート518は、センタピン・ブッシング512の周りに配置されている。センタピン・ブッシング512の下端に向かって、シリコーンまたは同様の材料から製造される、半径方向に撓むＯリング520を中心となるように、低い力が予め加えられている。Ｏリング520は、センタピン502および周囲のチューブ504がボンダ400内で半径方向に移動することを可能にする。アルミニウム冷却フランジ522は、フォース・リアクション・プレート518の下に配置され、熱隔離部材524は熱的にヒーター526を切り離すために冷却フランジ522の下に配置される。

冷却フランジ522の内部は、センタピン502の一部を取り囲むブッシング528である。ブッシング528および熱隔離部材524は、例えば、商品名ZERODUR（登録商標）で売られたもののような、リチウム・アルミノシリケート・ガラス・セラミックあるいは同様の材料から構成されてもよい。ブッシング528は、真空中で低い空気誘電体で電気的分離を供給するように、オーバーラップ機能として機能する、いずれか一方のサイドに差し込み空洞530を有していてもよい。ブッシング528の下であり、センタピン502の下側エッジおよびチューブ504の周りに、ヒーターピン532が配置されている。ヒーターピン532は、窒化ケイ素から形成されてもよく、ブッシング528の下側の差し込み空洞530と係合してもよい。また、ヒーターピン532は、ヒーター526の厚みおよび上部チャック420の少なくとも一部に沿ってセンタピン502およびチューブ504を結びつけてもよい。ヒーターピン532を構成するために使用される材料と同様に、ヒーター526に隣接するヒーターピン532の位置決めは、ヒーターピン532を通して、センタピン502およびチューブ504に対してヒーター526から効率的な熱伝導を可能としてもよい。全ての構成がヒーター526からそれらが接触するウェーハの部分まで熱を適切に伝導させるように配置されているため、これは、センタピン502およびチューブ504が、上部チャック420の温度と実質的に一致する温度を持つことを可能としている。従って、従来のピンが経験した熱的損失は大幅に改善される。ピン455aに加える力を制御することができる期間にピン455aの熱的連結度を増加させることは、従来技術によって以前に到達していたものを越えてウェーハの接合を改善することができる。

図１９は、本開示の最初の典型的な実施例に従って、接合デバイスに整列したウェーハを配置する方法を説明するフローチャート600である。フローチャートにおける如何なるプロセスの記述またはブロックは、モジュール、セグメント、コードの部分、またはプロセスにおける特定の論理関数を実行するための１つ以上のインストラクションを含むステップを表わすとして理解されるべきであり、そして交互に行う実施が本開示の範囲内に含まれており、その機能は、本開示の技術分野の人により理解されるように、実質的に同時に、または含まれる機能性に依存する逆の順序で行うことを含む、図示された、または議論されたものから越えて実行され得るものであることに、留意すべきである。

ブロック602により示されているように、ウェーハは、フレーム・メンバーおよびフレーム・メンバーに移動可能に接続されたフローティング・キャリヤーを有するエンド・エフェクタで一定間隔で整列されて固定される。ロボットはエンド・エフェクタを動かすために使用され、それによって、ボンダ（ブロック604)の接合チャンバへウェーハを移動する。ウェーハはエンド・エフェクタ(ブロック606)から外される。エンド・エフェクタは、接合チャンバ(ブロック608)から取り外される。ウェーハは接合される(ブロック610)。また、方法としては、本開示のいずれの図にも関連して開示されたステップ、プロセス、または、機能のうちのいずれかをさらに含んでもよい。

本開示の上記実施例は、特にいずれの「好ましい」実施例は、本開示の原理の明瞭な理解のために単に述べたものであり、単なる実施可能な例示であることが強調されるべきである。多くの変化および改造は、本開示の趣旨および原理から実質的に逸脱することなく、本開示の上記実施例に対してなされるであろう。そのような改造および変化のすべては、この開示および現在の開示の範囲内でここに含まれ、以下の請求項によって保護されることを意図している。

Claims (20)

1. 接合デバイスに整列したウェーハを配置する方法であって、前記方法は、
   フレーム・メンバーおよび前記フレーム・メンバーに移動可能に接続されたフローティング・キャリヤーを有するエンド・エフェクタで一定間隔に配置された前記ウェーハを確保にすること、
   前記エンド・エフェクタを移動させるためにロボットを使用すること、それによりボンダの接合チャンバへ前記ウェーハを移動させ、
   前記エンド・エフェクタからの前記ウェーハから外すこと、
   前記接合チャンバから前記エンド・エフェクタを取り除くこと、そして
   前記ウェーハを接合すること、を含む。
2. 請求項１の方法であって、前記ウェーハは、少なくとも１つの前記フレーム・メンバーおよびフローティング・キャリヤーに接続された複数のクランプ・スペーサー・アセンブリを使用して、一定間隔に配置するよう確保されている。
3. 請求項２の方法であって、前記複数のクランプ・スペーサー・アセンブリは、フローティング・キャリヤーの半円形内側境界上に実質的に等距離で配置されている。
4. 請求項１から３のいずれか一つの請求項の方法であって、前記エンド・エフェクタから前記ウェーハを外すことは、前記フレーム・メンバーから前記フローティング・キャリヤーを分離すること、をさらに含む。
5. 請求項１から４のいずれか一つの請求項の方法であって、前記エンド・エフェクタから前記ウェーハを外すことは、
   前記ウェーハの間に少なくとも１つのボンダ・スペーサー・フラグを挿入すること、および
   前記ウェーハの間から少なくとも１つの前記エンド・エフェクタ・スペーサー・フラグを取り除くこと、をさらに含む。
6. 請求項１から５のいずれか一つの請求項の方法であって、前記エンド・エフェクタで一定間隔に配置された前記ウェーハを確保にすることは、前記フローティング・キャリヤーに接続された複数の真空パッドで前記ウェーハを保持することをさらに含み、前記複数の真空パッドのそれぞれは、前記フローティング・キャリヤーの半円形内側境界の内側に延びている。
7. 請求項６の方法であって、前記半円形内側境界に沿って前記フローティング・キャリヤー上の前記複数の真空パッドの位置を放射状に調整することをさらに含む。
8. 請求項６または７の方法であって、半円形内側境界の軸に沿って前記フレーム・メンバーに対して前記フローティング・キャリヤーを調整することを更に含み、前記フローティング・キャリヤーと前記フレーム・メンバーとの間のギャップのサイズは、調整可能である。
9. 請求項１から８のいずれか一つの請求項の方法であって、前記フレーム・メンバーと前記フローティング・キャリヤーとの間で脱着可能に係合するセンタリング機構で前記フローティング・キャリヤーを前記フレーム・メンバーにセンタリングすることをさらに含み、前記センタリング機構は、前記フレーム・メンバーに対して前記フローティング・キャリヤーの位置変更を防止している。
10. 請求項１から９のいずれか一つの請求項の方法であって、前記エンド・エフェクタから前記ウェーハを外すことは、
    前記ウェーハの少なくとも１つに前記ボンダのチャックを接触すること、
    圧縮ピンで前記ウェーハに圧縮力を加えること、
    前記ウェーハの間に少なくとも１つのボンダ・スペーサー・フラグを挿入すること、
    前記ウェーハからエンド・エフェクタ・クランプを取り除くこと、および
    前記ウェーハの間から前記エンド・エフェクタ・スペーサー・フラグを取り除くこと、をさらに含む。
11. 請求項１０の方法であって、前記圧縮ピンで前記ウェーハに圧縮力を加えることは、前記ボンダの上部および下部のチャックの間の圧縮圧を調和させることをさらに含む。
12. 請求項１１の請求項１０の方法であって、前記圧縮ピンは少なくとも２つの圧縮ピンをさらに含む。
13. 請求項１０から１２のいずれか一つの請求項の方法であって、前記圧縮ピンの温度を前記ボンダの上部のチャックの温度に実質的に一致させることをさらに含む。
14. 請求項１から１３のいずれか一つの請求項の方法であって、前記ウェーハを接合することは、接合プロセス中に前記エンド・エフェクタで前記ウェーハと接触することなく、一定間隔で配置されたウェーハを接合することをさらに含む。
15. 処理デバイスに整列されたウェーハ・ペアを配置する方法であって、前記方法は、
    フレーム・メンバーおよびフローティング・キャリヤーを有するエンド・エフェクタで一定間隔に配置されたウェーハを運ぶことであって、前記フローティング・キャリヤーは、前記フレーム・メンバーに移動可能に接続されており、
    前記エンド・エフェクタに接続されたロボットアームで前記エンド・エフェクタの位置を変更すること、
    前記フレーム・メンバーおよび前記フローティング・キャリヤーが処理チャンバ内に配置されている間、前記フレーム・メンバーから前記フローティング・キャリヤーを分離することにより、処理デバイスの処理チャンバに一定間隔で配置された前記ウェーハを置くこと、を含む。
16. 請求項１５の方法であって、前記処理チャンバに置くことは、
    前記処理デバイスのチャックを前記ウェーハの少なくとも１つと接触すること、
    圧縮ピンで前記ウェーハに圧縮力を加えること、
    前記ウェーハの間に少なくとも１つのボンダ・スペーサー・フラグを挿入すること、
    前記ウェーハからエンド・エフェクタ・クランプを取り除くこと、
    前記ウェーハの間からエンド・エフェクタ・スペーサー・フラグを取り除くこと、をさらに含む。
17. 請求項１６の請求項１５の方法であって、圧縮ピンで前記ウェーハに圧縮力を加えることは、前記処理デバイスの上部および下部のチャックの間の圧縮圧を調和させることをさらに含む。
18. 請求項１５から１７のいずれか一つの請求項の方法であって、圧縮ピンの温度をボンダの上部のチャックの温度と実質的に一致させることをさらに含む。
19. 請求項１５から１８のいずれか一つの請求項の方法であって、圧縮ピンで前記ウェーハに圧縮力を加えることは、少なくとも２つの圧縮ピンで圧力を加えることをさらに含み、前記少なくとも２つの圧縮ピンのうちの少なくとも１つは、前記ウェーハの実質的な中心点で圧力を加え、前記少なくとも２つの圧縮ピンのうちの少なくとも１つが、前記ウェーハの実質的な中心点からオフセットして圧力を加えることをさらに含む。
20. エンド・エフェクタで整列したウェーハを搬送する方法であって、前記方法は、
    前記エンド・エフェクタのフローティング・キャリヤーに接続された複数の真空パッドで少なくとも２つの整列したウェーハを保持すること、前記フローティング・キャリヤーが、フレーム・メンバーとその間に形成されたギャップを伴って接続されており、前記フローティング・キャリヤーは、前記フローティング・キャリヤーの半円形内側境界を内側に延びている複数の真空パッドのそれぞれを伴う半円形内側境界を有しており、および
    ロボットアームで前記エンド・エフェクタを移動させること、を含む。

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