用于對齊襯底的裝置和方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種如權利要求1所述的用于使第一襯底與第二襯底對齊并且相接觸的方法以及如權利要求8所述的對應裝置。
【背景技術】
[0002]電子電路、例如微芯片或存儲結構單元以及微機械和微流體組件的小型化持續發展了數十載。為了進一步增加這些功能群的密度，數年前以其堆疊開始。為此，在襯底、例如晶圓上產生功能群。晶圓然后相互對齊并且相互接合，這在少量幾個過程步驟中引起大產率以及主要引起以高密度上下堆疊的功能群。
[0003]在大多數情況下，不同晶圓的功能群也具有不同功能性。因此，第一晶圓的功能群能夠是微芯片，而第二晶圓的功能群能夠是存儲器芯片。在實際連接過程之前，進行晶圓的相互對齊。晶圓上的功能群越小，則兩個晶圓的對齊過程必須越準確，以便取得必要的準確性和對應的少量廢棄物。
[0004]兩個晶圓能夠相互對齊的準確性關鍵取決于對齊設備的光學和機械配件及其使用。
[0005]在光學配件的情況下，主要注意放大倍率、但特別是分辨率足夠高以便盡可能精準地探測襯底上的對齊標記。另外，在放大倍率和分辨率對應高的情況下盡可能大的景深區是合乎需要的。
[0006]在機械組件的情況下，主要是電機和軸承有決定性意義。電機必須對高負荷進行加速、移位和制動，但是在這種情況下，它們還必須允許盡可能準確并且主要是可再現的位置操控。為了保證這點，特殊類型的軸承是必要的。這些軸承負責盡可能無摩擦地支承待移位的負荷。一直到現在，優選地使用空氣軸承，其允許兩個組件相互之間的非接觸移位。
[0007]主要在真空環境中，可以有利地棄用盡可能多的電機，并且因而還棄用所需的支承，以便提高其余電機的準確性和可再現性。
[0008]在現有技術中，已經存在對齊系統，例如AT405775B中所公開的那些對齊系統。但是，它們示出一些嚴重缺點。因此，專利文獻AT405775B中的下試樣支架和上試樣支架之間的行進距離很長，這在進行實際聚集過程時能夠導致兩個襯底相互之間對應不準確的定位。
[0009]另外，值得期望的是，在真空環境中執行對齊過程。因而，上述空氣軸承的使用是困難且有問題的。
[0010]因此，在文獻PCT/EP2013/062473中公開了另一個對齊系統。在這個文獻中，長行進距離的問題通過如下方式得到解決:相互對齊的襯底沿兩個標記的連接軸側向移動。與AT405775B中的實施方式相反，光學器件沒有安置在襯底的前面、而是安置在其側向，使得行進距離能夠急劇減小。通過行進距離的徑向縮短，PCT/EP2013/062473中的對齊設備能夠使用主要適合于真空的完全不同的電機和軸承。
[0011]因此，本發明的目的是給出用于使襯底對齊并且相接觸的裝置和方法，用以使尤其是真空下的襯底的更準確并且更有效對齊和接觸是可能的。
[0012]這個目的利用如權利要求1和8所述的特征來實現。在從屬權利要求中給出本發明的有利擴展方案。至少兩個說明書、權利要求書和/或附圖中所給出特征的所有組合也落入本發明的框架之內。在所給出的值域的情況下，位于所提及邊界之內的值也作為邊界值來公開，并且能夠按照任何組合來要求保護。
[0013]本發明涉及這種類型的裝置和方法、尤其是真空環境下使兩個襯底、優選地兩個晶圓盡可能最佳地相互對齊以及在進行對齊之后使它們相接觸。
[0014]在這種情況下，本發明尤其基于如下思路:對于兩個襯底相互之間的正確對齊，僅要求具有至少三個自由度的、尤其是一個唯一的試樣支架(用于固定第一襯底的第一容納件)，而第二試樣支架(用于固定第二襯底的第二容納件)優選地僅具有一個唯一的、但是為此精確度高的自由度。將精確度高的自由度理解為:用于控制試樣支架的電機能夠對應精確地定位試樣支架。另外，按照本發明的實施方式提供至少兩個檢測單元，其僅具有一個唯一的自由度，尤其是沿Z方向。
[0015]X方向、Y方向和Z方向分別橫向于彼此(尤其是垂直于彼此)延伸，使得在此尤其形成笛卡爾坐標系。
[0016]因此，按照本發明的實施方式減少參與對齊的組件的總體所需自由度的數量，其是在兩個襯底相互之間進行精確度高的對齊所需的。
[0017]按照本發明，尤其使用校準襯底、優選地使用兩個校準襯底，以便針對襯底經過容納件的移動對檢測單元實行調整。
[0018]按照本發明的實施方式主要示出新穎且具備創造性的設備，利用該設備，襯底的對齊和接觸首次在真空中可以具有高精確性。
[0019]本發明由具有至少四個檢測單元(尤其為光學器件)的對齊設備(裝置)、分別具有試樣支架的兩個對齊單元(第一容納件或上容納件以及第二容納件或下容納件)以及具有用于移動檢測單元的光學器件和試樣支架的電機的對應X平移單元、Y平移單元和Z平移單元來組成。對齊室對大氣能夠是開放的，或者優選地位于能夠抽空的空間中。
[0020]如果檢測單元位于對齊室外部，則對齊室具有對應窗口，經過其進行檢測。通過將光學器件(或者一般來說是檢測單元)定位在對齊室內部，避免窗口所引起的光學誤差(其可能通過經過窗口的射束的透射來形成)。可設想的例如是光路的由于非平坦切割窗口側而造成的偏差、因窗口的粗糙表面造成的散射的圖像、強度損失、特定波長的吸收或者折射效應。但是，光學器件在對齊室外部的安裝也提供優點。光學器件是更易于接近的，并且不必設計用于真空環境。另外，電機(借助于其來移動光學器件)也不必設計用于真空操作。
[0021]在一相當特殊的實施方式中，窗口在兩側不是平坦的，而是其本身實施為光學元件，這主動促成在該室內結構的放大倍率和/或分辨率的改進。通過窗口的對應精確度高的制造，窗口的折射性質因而能夠被主動使用，并且適宜地影響光路，而不是使光路扭曲或削弱光路。例如，可設想的是，窗口本身實施為雙凸透鏡、雙凹透鏡、凸凹透鏡或凹凸透鏡。還可設想的是，窗口的大部分在兩側實施為平坦的，以及實際透鏡元件與邊緣分開位于窗口內部部分中。
[0022]尤其是，至少兩個優選地位于對齊室的同一側上、優選地位于下邊緣處的光學器件僅限于一個唯一的平移自由度(即，沿Z方向)，并且因此尤其限于純線性移動。
[0023]襯底、優選晶圓固定到試樣支架上。試樣支架安裝在容納件上。這些容納件一般而言具有多個平移單元和/或旋轉單元，它們允許試樣支架的平移和/或旋轉并且因而允許襯底、尤其是晶圓的平移和/或旋轉。優選地，存在恰恰兩個容納件，尤其是第一容納件或上容納件和第二容納件或下容納件。
[0024]上容納件具有多個自由度，優選地一個用于X方向、一個用于Y方向，尤其是還有旋轉自由度。還可設想的是，兩個另外的旋轉自由度和/或沿z方向的一個平移自由度。
[0025]下容納件優選地具有沿Z方向的恰恰一個平移自由度。通過棄用其他自由度，下容納件能夠產生晶圓沿Z方向的準確度高并且主要是可很準確再現的位置操控。
[0026]下文中，出發點是:組件、尤其是容納件始終僅以一個平移自由度位于按照本發明的裝置和/或對齊室的底側，而具有高于最大數量的自由度的組件、尤其是容納件位于對齊室的頂側(優選的實施)。另外，在光學器件的情況下，區分左光學器件和右光學器件和/或能夠相對設置的檢測單元。但是，也可設想的是，僅以一個自由度將組件安裝在頂側處，或者部分地在頂側和底側處。
[0027]按照本發明的對齊過程開始于在第一容納件、尤其是上容納件的試樣支架上加載第一校準襯底。第一校準襯底在該校準襯底的彼此相對的兩側上具有至少兩個標記。
[0028]在第一校準步驟中，將第一校準襯底向左移位，直到其左標記位于左上光學器件和左下光學器件的可見范圍中。在這個校準步驟中，左下光學器件的位置一般離左標記還太遠，而不能清晰地將它示出。因此，通過精確度高且主要可再現的移位，使左下光學器件接近校準襯底的左標記，直到左標記位于左下光學器件的景深區中。由于左下光學器件因限于Z方向的移動自由度而不能在水平平面中移位，所以通過校準襯底的借助于X和Y平移單元的平移移動，使襯底的左標記與左下光學器件的光軸重合。
[0029]能夠作為檢測數據來精準地檢測平移單元的移動，并且將其傳遞給控制裝置，所述控制裝置用來控制該裝置的組件。
[0030]在第二校準步驟中，左上光學器件朝著校準襯底的左標記取向，使得其光軸與左標記盡可能精準地對齊。左上光學器件能夠固定在這個位置中。存儲左下光學器件的Z位置，以便以后能夠將其再次移動到同一位置。
[0031 ] 在一優選實施方式中，確定兩個相對光軸的相交點，或者兩個光軸的定向使得它們在標記中相交。
[0032]優選地，通過由左上光學器件和右下光學器件對左標記的聚焦來確保:左標記位于兩個光學器件的景深區(正確地實際上為深焦區)中。但是，兩個景深區具有有限延伸范圍，并且因而能夠開啟光軸的相交點所在的相交點區。相交點的位置能夠由具有對應小景深區的光學器件極大地限制。由于景深區的減小，尤其是光學器件的分辨率也增加，這對標記的確定同樣具有積極影響。
[0033]按照本發明，光學器件尤其控制成使得標記相對于光軸的位置能夠由光學器件來識別、檢測和存儲。因此，原則上值得追求的是負責標記盡可能放置在中央，并且因此盡可能接近光軸，或者至少停在位于光軸周圍的區域內。光軸與標記的完美對齊可能是非常時間密集的并且因此在大規模生產中也是極昂貴的過程。因此優選的是，僅在相應光學器件的可見范圍(英語:field of view)中得到標記，并且然后確定并且存儲標記相對于光軸的X距離和y距離。
[0034]另外，按照本發明尤其考慮:所使用的屏幕傳感器(用以相應光學器件的圖像)以及光學器件本身具有從光軸到邊緣增加的少許失真，并且因而，標記越遠離光軸，所記錄圖像允許標記位置的越差的測量。
[0035]因此，根據本發明，尤其是盡可能快地、盡可能接近光軸來引導標記，而沒有使標記的中心和光軸完美地重合。標記優選地要停留在其中的區域表示為F’。按照本發明，標記因而應當至少位于光學器件的可見范圍F中，但是仍然更優選地位于區域F’中。
[0036]通過這個優選過程(其中光軸盡可能準確地但不精準地固定左標記)，確定能夠參照的左零點，但是光軸沒有準確地切入左標記中。
[0037]在相當特殊但是難以實現或者由于時間和成本原因而不合乎需要的一實施方式中，兩個光軸均精準地以左標記為中心。兩個左光軸的相交點則至少位于兩個左光學器件的景深區之內并且優選地甚至精準地位于左標記的中心。在這種理想情況下，左相交點優選地精準地對應于左零點。
[0038]因此，兩個相對的檢測單元尤其作為檢測對來一起工作。左下光學器件這時能夠再次達到起始位置，其中它不阻止稍后引入對齊室的下襯底的加載。
[0039]在第三校準步驟，第一校準襯底向右行進，直到其右標記位于右上光學器件和右下光學