用于部件的光学接触结合的方法和设备与流程

本发明涉及一种用于(两个或更多个)部件的光学接触结合的方法，包括：将第一部件的第一表面放置在第二部件的第二表面上，以便形成空气膜，并且将第一部件的第一表面压靠在第二部件的第二表面上，用于第一部件到第二部件的光学接触结合。本发明还涉及一种用于部件的光学接触结合的设备，该设备特别适用于执行部件的光学接触结合的方法。

背景技术：

1、光学接触结合是两种材料的连接，其中彼此抵靠的表面仅通过分子引力被保持，也就是说没有诸如粘合剂的连结手段，使得连接可以被部分或完全释放(例如在湿气或楔形效应的影响下)。光学接触结合可在各种材料的情况下使用，例如陶瓷材料或玻璃材料。

2、光学接触结合通常手动实现，其中第二部件水平取向或者邻接水平取向的支撑表面。第一部件的第一表面首先被小心地放置在第二部件的表面上，并且“漂浮”在第二部件的表面上的空气膜上。形成空气膜的先决条件是两个表面具有基本相同的几何形状并且足够光滑。

3、在这种面状邻接的情况下，第一部件的重力通常不足以使空气膜移位并触发实际的光学接触结合过程。因此，将第一部件的第一表面手动压向第二部件的第二表面具有使表面之间的空气膜移位的效果，使得两个表面触碰，并且发生实际的光学接触结合过程，其中两个表面通过分子引力彼此连接。

4、对于光学接触结合，表面不仅必须非常平滑地抛光(平整度和表面缺陷或表面粗糙度通常在50-200nm的范围内)，而且必须没有灰尘或颗粒、油脂或碳氢化合物或任何其他污物。因此，部件的表面通常在光学接触结合之前被清洁。待光学接触结合的表面上的不均匀性和颗粒污染会导致两个部件不能彼此充分紧密接触以在表面之间形成吸引相互作用。然而，在光学接触结合中，特别存在但不仅存在这样的风险，在部件的水平处理过程中，颗粒会滴到第二部件的表面上，并在光学接触结合后导致夹杂物，即所谓的空隙。这些空隙是削弱连接的缺陷，如果它们出现在错误的位置，会导致由两个部件构成的部件零件被拒绝。

5、光学接触结合在精密光学中是一种既定工艺，用于连接透镜形式的部件。彼此光学接触结合的部件可以替代地形成(可能与紧固到其上的其他部件一起)用于光刻的复合结构。这种复合结构可以形成用于晶片的保持设备或用于反射euv辐射的反射镜，例如在wo2013/021007a1中所描述的。在半导体工业中也有光学接触结合的应用领域，其中实现了部件的部分自动化定位，并且各种工艺辅助设备被用于实际的光学接触结合操作。

6、us6814833b2描述了一种直接结合含硅部件的方法，其中在待连接的表面上产生功能团。为了产生功能团，表面与具有高ph值的溶液接触，ph值通常在8和13之间。

7、us2003/0079503 a1描述了一种用于后续玻璃拉制过程的玻璃部件的直接结合方法。对于直接结合，部件可以与酸或ph值大于8的溶液接触。

8、文章“wafer direct bonding:tailoring adhesion between brittlematerials，a.g.materials science&engineering r 25(1-2),p 1-88(1999)”描述了改变表面化学以适应结合性能的方法。

9、在论文“direct wafer bonding for mems and microelectronics,tommi suni,vtt publications 609”中也描述了晶片直接结合的不同方法，例如等离子体激活的低温结合方法。

技术实现思路

1、发明的目的

2、本发明的目的是提供一种用于部件的光学接触结合的方法和设备，在所述方法和设备中减少了表面之间夹杂物的风险。

3、发明的主题

4、这个目的是通过引言中所提到的类型的方法实现的，其中放置第一部件的步骤以及优选地按压第一部件的步骤由机器人执行。

5、发明人已经认识到，如果光学接触结合是手动进行的，即使光学接触结合是在洁净室中进行的，在光学接触结合过程中形成空隙或夹杂物的风险也会大大增加，因为人是洁净室中颗粒的最大来源。因此，本发明提出在机器人的帮助下至少执行放置步骤，也可能在机器人的帮助下执行按压步骤。机器人保持第一部件，并以自动方式执行放置步骤，以及可能以自动方式执行按压步骤，而无需人为此目的出现在部件附近。

6、测试表明，在机器人的帮助下，将第一部件的第一表面放置到第二部件的第二表面上以形成气隙是可能的，而不需要在该步骤中通过力效应或者通过将第一部件的第一表面压靠在第二部件的第二表面上来直接触发光学接触结合。然而，原则上，放置和按压步骤也可以借助机器人同时而不是相继执行。在这种情况下，在借助机器人的放置过程中，在第二部件上施加足够大的力以触发光学接触结合操作。在这两种情况下，已经观察到，在光学接触结合之后，互连的部件没有表现出任何夹杂物或气泡，或者夹杂物或气泡的数量显著减少。

7、原则上，可以在机器人的帮助下仅执行放置步骤。在这种情况下，当两个表面彼此面状邻接时，手动实现按压步骤。由于在放置操作过程中形成的空气膜具有微米范围的厚度，所以当所述表面在邻接状态下被手动压向彼此时，颗粒沉积在两个表面之间的风险较低。然而，这种带有手动按压操作的部分自动化的光学接触结合操作依赖于操作者的经验，因此只能在有限的范围内可重复。部件的手动激活或手动按压导致不确定的表面状态，并且通常不能对表面和光学接触结合操作本身进行任何鉴定。如果机器人执行按压操作，它产生足够强的按压力或相应的扭矩来启动光学接触结合。

8、此外，在根据本发明的方法中，借助通风装置在第一部件的第一表面和第二部件的第二表面之间产生层流气流。

9、在一种变型中，在放置期间并且优选地在按压第一部件期间，第二部件相对于水平平面成一角度取向，特别是竖直地取向(即相对于水平平面成90°的角度)。如上面进一步所述，当第二部件水平取向时，存在颗粒在重力作用下沉淀在第二部件的第二表面上的风险。第二部件相对于水平面成一角度的取向，特别是竖直取向，降低了颗粒沉积在第二部件的第二表面上的风险。在平坦的第二表面的情况下，第二部件和水平平面之间的角度在水平平面和第二表面之间测量。如果第二表面不平坦，则相对于第二部件的参考表面测量该角度。典型地，参考表面是第二部件的平坦表面，所述第二部件将利用该平坦表面邻接沿水平方向的支撑表面。

10、在另一变型中，借助于通风装置在第一部件的第一表面和第二部件的第二表面之间产生层流气流，使得该层流气流优选地相对于水平平面成一角度取向，特别是竖直地取向，或者水平地或基本水平地取向(即相对于水平平面成+/-20°的角度)。如果气流相对于水平平面成一角度取向，特别是竖直取向，则气流的流动方向通常从顶部到底部，即沿重力方向或基本上沿重力方向。当第二部件相对于水平平面成一角度取向时，特别是竖直取向时，这种变型尤其有利，因为在这种情况下，在两个表面之间通过的颗粒可以基本上在重力方向上被气流带走。即使第二部件在光学接触结合期间(基本上)水平取向，在两个部件的表面之间产生层流气流也是有利的。在这种情况下，层流气流可以特别地基本上沿水平方向取向。

11、为了产生气流，可以使用通风装置，例如在洁净室中使用的被称为风扇过滤单元(ffu)的通风装置。这种风扇过滤单元包括风扇和过滤器，所述风扇从上方吸入空气，并将气流以层流形式吹过过滤器进入洁净室内，所述气流通常以竖直方向取向，即以重力方向取向。为了借助于风扇过滤单元产生(基本上)在水平方向上流动的气流，已经通过过滤器的一部分气体可以被分流。然而，在这种情况下，也可以使用独立的通风装置，其提供(清洁的或过滤的)压缩空气，以便产生在表面之间吹动的层流空气流。

12、在另一变型中，在(面状)放置操作之前，使第一部件的第一表面的子区域与第二部件的第二表面接触，所述子区域尤其形成在第一表面的侧边缘处。如果当第二部件被接近时，机器人手或保持第一部件的抓持装置的纵向轴线不平行于第二表面的法线方向，而是倾斜地或成角度地取向，则在接近过程中，只有第一表面的子区域撞击第二表面。这里，第一表面通常仅在其侧边缘处接触第二表面，其中在第一表面和第二表面之间的第一次接触时施加的力通常选择得很低，使得不会发生光学接触结合。因此，由机器人或第一部件在子区域中施加在第二部件上的力通常不应该超过重力，并且应该处于例如大约10n的数量级。

13、第一部件与第二部件接触的子区域应该位于第二表面上，使得第一部件在随后的面状放置操作中不再需要相对于第二部件移位。理想地，第一表面的侧边缘处的子区域接触第二表面的侧边缘处的子区域。

14、在另一变型中，检测第一表面的子区域和第二表面之间的接触，特别优选地基于由第二部件施加在机器人上的扭矩。机器人，更准确地说是机器人的机器人手或抓持装置，在将第一部件放置到第二部件上的步骤期间保持第一部件，其中抓持装置(例如机器人手的抓持装置)的纵向轴线(机器人手可围绕该纵向轴线旋转)通常大致位于第一表面的中心。如果在机器人或抓持装置的运动期间，第一部件的第一表面的相对于机器人的纵向轴线或中心轴线侧向偏移的子区域与第二表面接触，则在与第二表面接触时，扭矩施加在机器人上。该扭矩可以借助于安装在机器人上或机器人的至少一个关节上的至少一个扭矩传感器来测量。然而，第一表面的子区域和第二表面之间的第一次接触也可以以另一种方式来检测，例如光学地或者借助于基于不同测量原理的接触传感器。

15、在另一变型中，在子区域接触期间，第一部件的第一表面和第二部件的第二表面相对于彼此以预定角度取向。预定角度可以选择为相对较大，例如大于大约10°或15°。如果在子区域中的接触期间，第一部件相对于第二部件以大角度取向，则可以最小化无意的光学接触结合的风险。此外，如下所述，第一部件可以以受控方式旋转，用于面状放置到第二部件上。

16、在另一变型中，第一部件围绕邻接的子区域旋转，直到第一部件的第一表面面状邻接第二部件的第二表面。如上面进一步所述，在面状放置操作期间，如果没有在第二部件上施加过大的接触压力，则在第一表面和第二表面之间形成空气膜。第一部件围绕子区域的旋转使得可以通过受控(旋转)运动来实现放置，理想地，为此目的不需要第一部件的额外平移运动。机器人通常允许第一部件在旋转运动期间有小的补偿运动，以便减小或补偿过大的力或扭矩。

17、在另一变型中，检测第一部件的第一表面邻接第二部件的第二表面的面状邻接，特别优选地基于第二部件施加在机器人上的扭矩，特别是基于第二部件施加在机器人上的扭矩的最小化。如果第一部件的第一表面已经由机器人相对于第二部件的第二表面按照期望取向，则由第二部件施加在机器人上的扭矩通常是最小的。如上面已经进一步描述的，对面状邻接的检测不限于扭矩的检测，而是也可能以另一种方式实现，例如通过另一种类型的接触传感器或通过光学传感器。

18、在另一变型中，该方法包括：检测空气膜的干涉条纹图案，该干涉条纹图案形成在彼此面状邻接的两个表面之间，其中干涉条纹图案的检测优选地通过第二部件实现。如果空气膜已经部分形成，也可能在放置期间已经检测到干涉条纹图案。干涉条纹图案的产生是因为两个表面没有完全相互平行地取向。

19、干涉条纹图案的检测可以用于例如识别光学接触结合操作或光学接触结合操作的结束：如果两个部件已经彼此光学接触结合，则干涉条纹图案消失，因为两个表面之间的空气膜已经被移位。在这种情况下，机器人可以放开第一部件，因为它连接到第二部件。如果按压操作已经由机器人执行，并且干涉条纹图案仍然明显，例如在按压操作之后在两个表面的子区域中，这意味着光学接触结合不成功。在这种情况下，彼此部分光学接触结合的两个表面可以再次彼此释放，例如通过机器人再次将第一部件从第二部件移开，以及例如产生楔形效应。还可以采取另外措施来再次将两个部件彼此释放。

20、在另一变型中，根据检测到的干涉条纹图案，特别是根据干涉条纹图案的延伸方向，限定第一表面压靠第二表面的按压位置。通常，在按压操作期间，接触压力不施加到整个第一表面，而是选择期望空气膜首先被移位的按压位置。在这种情况下，光学接触结合过程以位移波的方式从按压位置开始行进，该位移波沿着两个表面传播并使空气膜移位。

21、基于干涉条纹图案的干涉条纹的取向，可以识别空气膜的位移波传播的方向：位移波大致相对于干涉条纹的方向垂直传播。因此，根据干涉条纹图案的干涉条纹的取向来选择按压位置是有利的。原则上，按压位置选择在第一表面的侧边缘是有利的。这里，按压位置优选地被选择为第一表面的侧边缘处的位置，在该位置处，该表面在垂直于干涉条纹延伸方向的方向上具有其最大延伸范围。

22、在另一变型中，在第一部件的第一表面上和/或在第二部件的第二表面上形成至少一个、优选多个平行取向的、特别是沟状的凹陷，其中根据干涉条纹图案相对于至少一个凹陷的纵向方向的取向来选择第一部件在面状邻接期间的取向。

23、如果在第一部件和/或第二部件中形成一个或多个凹陷，则在按压操作过程中产生的空气膜的位移波优选不应该相对于凹陷的纵向方向垂直传播，因为位移波以及因此光学接触结合可能在凹陷处停止。因此，位移波应该相对于一个或多个凹陷以不同于90°的角度取向。干涉条纹图案的这种取向可能通过第一部件在机器人的帮助下适当的轻微移动来实现。

24、因此，应该避免干涉条纹图案的干涉条纹相对于沟状凹陷的纵向方向平行取向。特别有利的是，干涉条纹图案的延伸方向相对于至少一个凹陷的纵向方向垂直取向，即成90°角。已经证明，对于干涉条纹的延伸方向，与凹陷的纵向方向偏离至少30°的角度是有利的。

25、沟状凹陷例如可以在第二部件中基本上直线延伸。在光学接触结合期间，凹陷被第一部件覆盖，因此在光学接触结合期间产生的部件零件中形成通道。该部件零件例如可以是反射光学元件(例如反射镜)的基底。在这种情况下，反射涂层可以在光学接触结合之前或之后施加到第一部件上。反射涂层可以被配置成例如反射euv波长范围内的辐射或者反射vuv波长范围内的辐射。不言而喻，第二部件也可以因为一些其他原因而包括凹陷。如果在光学接触结合过程中生产的部件零件是反射镜，则在光学接触结合过程中形成的接触表面通常位于反射镜的光学使用表面附近，反射涂层施加到该使用表面上。因此，在这种情况下特别重要的是，沿着接触表面出现尽可能少的缺陷，特别是没有大的缺陷。

26、也可以仅第一部件包括凹陷，所述凹陷在光学接触结合期间被第二部件的第二表面覆盖，由此在光学接触结合期间产生的部件零件中形成通道。第一部件和第二部件同样地可以包括凹陷。在这种情况下，在光学接触结合期间，第一部件中的凹陷必须相对于第二部件中的凹陷以合适的、通常平行的方式取向。在这种情况下，干涉条纹图案相对于两个部件中的凹陷的取向也可以借助于小的偏转通过第一部件的合适取向来改变。

27、第一部件的第一表面和第二部件的第二表面不一定必须是平坦形式。相反，这两个表面可以是互补的形式，使得它们在放置操作期间配合在一起。举例来说，第一表面可以是凸状弯曲的，并放置在相应的凹状弯曲的第二表面上，或者反之亦然。

28、第一和/或第二部件的材料可以是玻璃，例如石英玻璃，特别是掺钛的石英玻璃，例如以商标名提供的，或者一些其他玻璃。第一和/或第二部件的材料可以替代地是玻璃陶瓷或陶瓷，例如堇青石。原则上，在除了这里提到的材料之外的材料的情况下，光学接触结合也是可能的。

29、本发明的另一方面涉及一种用于部件的特别是全自动光学接触结合的设备，特别是用于执行如上面进一步所述的部件的光学接触结合的方法的设备，包括：机器人，其被配置或编程为将第一部件的第一表面放置到第二部件的第二表面上，以形成空气膜，其中，所述机器人优选被配置为将所述第一部件的第一表面压靠在所述第二部件的第二表面上，以便将所述第一部件光学接触结合到所述第二部件上；以及保持装置，用于在放置和按压所述第一部件期间保持所述第二部件；以及通风装置，用于在所述第一部件的第一表面和所述第二部件的第二表面之间产生层流气流。

30、为了执行放置步骤并且可能为了执行按压步骤，该设备可以包括控制装置，该控制装置被配置或编程为控制机器人，以便执行上述方法或借助机器人执行的上述方法的变型。控制装置可以是合适的硬件和/或软件，如果控制装置没有集成到机器人中，所述硬件和/或软件能够被编程以产生用于机器人的命令并将它们传输到机器人。

31、机器人的使用提供了使光学接触结合过程适应各个部件或部件几何形状的可能性。举例来说，第一表面的子区域(其中建立了与第二表面的第一次接触)、连结移动(例如第一部件的旋转或滚动)、光学接触结合的起始侧或按压位置以及引入的力可以被改变，而不需要重建。为了实现这一点，机器人应该包括至少一个关节，通常是两个或更多个关节，以便除了第一部件的平移运动之外还能够执行旋转运动。第一部件可以由机器人手或机器人臂的抓持装置保持，该抓持装置通过关节连接到机器人臂。

32、代替机器人臂，机器人还可以包括具有多个夹持元件的抓持装置，每个夹持元件连接到例如伸缩式线性单元，以便在多个位置夹持第一部件，这些位置通常沿着第一部件的侧向周边或边缘定位。借助于线性单元，机器人可以执行第一部件的平移运动。如果夹持装置通过关节连接到线性单元，如果在部件的运动过程中，线性单元以不同的速度或不同的程度运动，则除了平移运动之外，还可以实现第一部件的旋转运动。不言而喻，机器人或运动系统的其他配置也是可能的。

33、在一个实施例中，机器人包括至少一个传感器，优选地至少一个扭矩传感器，用于检测第一部件的第一表面邻接第二部件的第二表面的面状邻接，并且优选地用于检测第一表面的子区域和第二表面之间的第一次接触。该检测可以借助于力-扭矩或扭矩传感器来实现，如上面结合该方法进一步描述的。然而，也可以用不同类型的传感器来检测第一表面和第二表面之间的面状邻接或第一次接触。

34、在一个实施例中，保持装置被配置成将第二部件取向成相对于水平平面成一角度，特别是竖直地取向。如上面进一步所述，检测第一部件是否已经被放置的机器人可以用于执行在非水平取向的第二部件上的放置步骤和可能的按压步骤。特别地，如果第二表面基本上竖直取向，可以防止颗粒在重力作用下沉淀在第二表面上。

35、在另一实施例中，该设备包括用于在第一部件的第一表面和第二部件的第二表面之间产生层流气流的通风装置，其中气流优选地相对于水平平面成一角度取向，特别是竖直地取向，或者水平地或基本水平地取向(相对于水平平面成+/-30°的角度)。例如，通风装置可以是在洁净室中使用的所谓的风扇过滤单元(ffu)。这种ffu通常安装在设备的顶部区域中，并包括风扇和过滤器，所述风扇从上方吸入空气，并将其吹过过滤器进入两个表面之间的空间。在这种情况下，层流气体或空气流通常竖直取向，可以穿过设备的网状底部，并且在导流装置的帮助下偏转，例如在导流板的帮助下偏转，以便产生循环空气流。两个表面之间的层流空气流还使得可以显著降低颗粒沉积的风险，从而降低光学接触结合过程中出现空隙的风险。

36、在另一个实施例中，该设备包括空间分辨检测器，例如摄像头，用于检测空气膜的干涉条纹图案，该干涉条纹图案形成在彼此面状邻接的两个表面之间，其中空间分辨检测器优选地被配置为通过第二部件检测干涉条纹图案。摄像头可能足以检测干涉条纹图案，但是也可以借助白光干涉仪或借助另一种合适的测量装置机械地检测干涉条纹图案。

37、在这种情况下，第二部件对于在检测干涉条纹图案期间由检测器检测的波长是透明的。这些波长尤其可以位于可见光波长范围内。该设备还可以包括评估装置，以便评估干涉条纹图案并确定干涉条纹图案的干涉条纹的延伸方向。如上文结合该方法进一步描述的，可以借助于控制装置基于干涉条纹的延伸方向来定义按压位置。如果干涉条纹的延伸方向相对于在第二部件中或可能在第一部件中形成的沟状凹陷的纵向方向以不利的方式取向，则控制装置也可以用于校正第一部件的取向。

38、该设备还可以包括用于装载第一部件和/或第二部件的装载装置。为此，装载装置可以例如包括装载台，第一部件和/或第二部件可以放置在该装载台上。为了装载，第一/第二部件可以邻接运送支撑件，该运送支撑件例如借助于辊道或另一合适的搬运装置被移动到机器人的接取区域，该机器人执行将第一部件放置到第二部件上。机器人或另一合适的搬运装置可以首先拾取第二部件，以便将第二部件定位在保持装置上。保持装置可以被配置成以自动方式接收第二部件，并且例如借助于合适的保持或夹持装置来保持第二部件。在第二部件已经被定位在保持装置上之后，机器人可以拾取第一部件，或者第一部件被安装在机器人上，并且通过第一表面以上面进一步描述的方式被面状放置在第二部件的第二表面上。机器人或另一个搬运装置也可以抓取在光学接触结合过程中产生的部件零件，并以自动方式将其放置在期望的位置，可能在为此目的提供的卸载装置上或在预定的放置位置。

39、如果该设备包括上面进一步描述的用于两个部件的装载装置和用于卸载在光学接触结合期间产生的部件零件的卸载装置，则该设备可以用于两个部件的全自动光学接触结合。在全自动光学接触结合中，不需要工人或操作员，而是光学接触结合过程的所有步骤在设备中以自主和全自动的方式运行。

40、该(可能是全自动的)设备可以包括机械超细清洁装置，其为后续的光学接触结合过程提供可量化的更清洁的部件表面。为此，超细清洁装置可以例如包括喷嘴，以便使部件表面受到吹除操作。有利的是，对于超细清洁之后的过程、特别是光学接触结合过程的处理时间，以自动化的方式和在时间方面尽可能高效的方式来计划，使得表面的污染可以被有效地抑制，直到光学接触结合过程结束。

41、该设备可以另外包括用于处理前控制的检查装置，其中分析部件的表面，以便检查超细清洗的结果，并且如果结果不令人满意，可能重复该超细清洗。作为替代或添加，该设备还可以包括用于处理后控制的(另外的)检查装置，其中检查在两个部件的光学接触结合期间形成的部件零件的瑕疵或缺陷，特别是削弱两个部件之间的连接的气泡(空隙)形式的瑕疵或缺陷。(另外的)检查装置可以量化和鉴定缺陷，例如关于数量、位置、尺寸和可能的缺陷类型，并将相应的信息保存在数据库中。该(另外的)检查装置可以包括用于检测缺陷的显微镜，以便对接触表面的已经实现光学接触结合的平面或区域中的缺陷进行显微镜检查。

42、该设备可以(但不是绝对必要的)包括中央搬运或运送装置，该中央搬运或运送装置在设备内运送部件和/或在光学接触结合期间形成的部件零件，并在设备的不同位置或站拾取或放置它们/它。搬运装置可以例如包括机器人臂，该机器人臂可以执行上述第一部件的表面的放置和可能的按压。然而，该设备还可以包括两个(或可能更多个)机器人，一个机器人用于放置并可能按压第一部件，另一个机器人形成搬运装置或搬运装置的一部分。

43、参考显示对于本发明为本质的细节的附图，从本发明的示例性实施例的以下描述以及从权利要求中，本发明的进一步特征和优点将变得显而易见。在本发明的变型中，各个特征可以以其自身的权利被单独实施，或者以任何组合被共同实施。