用于半導體晶片調平、力平衡和接觸感測的裝置和方法
【專利說明】用于半導體晶片調平、力平衡和接觸感測的裝置和方法
[0001]相關共同未決申請的交叉引用
[0002]本申請要求于2013年7月17日提交并且名稱為“APPARATUS AND METHOD FORSEMICONDUCTOR WAFER LEVELING,FORCE BALANCING AND CONTACT SENSING” 的序列號為61 /847，118的美國臨時申請的權益，其內容通過引用明確地并入本文。
[0003]本申請是于2010年4月15日提交并且名稱為“DEVICE FOR CENTERING WAFERS”的序列號為12/761，044的美國專利申請的部分繼續申請，其內容通過引用明確地并入本文。
技術領域
[0004]本發明涉及用于半導體晶片結合的裝置和方法，并且更特別地涉及提供卡盤調平、力平衡和襯底接觸感測的晶片結合裝置和方法。
【背景技術】
[0005]在用于形成半導體器件的寬范圍的半導體工藝應用中利用晶片間(W2W)結合。其中應用了晶片間結合的半導體工藝應用的示例包括集成電路的襯底建造和制作、微機電系統(MEMS)的封裝和包封以及純微電子器件的許多經處理的層的堆疊(3D集成)。胃2胃結合涉及使兩個或更多個晶片表面對準、使晶片表面發生接觸以及在晶片表面之間形成強結合界面。這樣生產的半導體器件的總處理產量和制造成本以及最終并入了這些器件的電子產品的成本大大地取決于晶片間結合的質量。W2W結合的質量取決于晶片的精確對準、跨晶片結合界面的晶片對準的保持、以及跨晶片結合界面的結合強度的均勻性和完整性。具體而言，晶片表面之間的調平、平面度、距離和張力對于結合質量而言至關重要。因此，期望在晶片接合器裝置中提供對半導體晶片表面的相對于彼此的可靠的、高精確度和可重復的定位。
【發明內容】
[0006]本發明提供了一種用于半導體晶片結合的裝置和方法，其包括卡盤調平、力平衡和襯底接觸感測。
[0007]總體而言，在一個方面中，本發明特征在于一種晶片結合器裝置，包括下卡盤、上卡盤、處理室和三個調節機構。下卡盤被配置為支撐第一晶片，上卡盤被配置為支撐第二晶片，并且第二晶片與第一晶片相對布置。處理室形成在上卡盤與下卡盤之間。三個調節機構彼此間隔地布置在頂蓋周圍并且位于處理室外部。每個調節機構包括用于感測對上卡盤的接觸的部件、用于調節上卡盤的預加載力的部件和用于調平上卡盤的部件。
[0008]本發明的這一方面的實施方式包括以下項中的一項或多項。每個調節機構還包括穿通軸，穿通軸穿過頂蓋并且具有剛性地附接至上卡盤的頂表面的遠端部和突出通過頂蓋的近端部。穿通軸包括具有小于2X10—I—1的熱膨脹系數(CTE)的材料。穿通軸包括殷鋼材料。穿通軸經由熱斷點與上卡盤熱隔離。
[0009]用于調平上卡盤的部件包括測微計、測微計軸、樞軸臂和支撐板。樞軸臂可樞轉地連接至支撐板并且具有連接至測微計軸的遠端部的第一端部和連接至穿通軸的第二端部。測微計具有1微米的分辨率并且附接至測微計軸的近端部。測微計的旋轉運動引起測微計軸的線性運動，并且測微計軸的線性運動引起穿通軸的線性運動并且由此調節附接的上卡盤的水平。用于調平上卡盤的部件還包括測微計鎖定夾，測微計鎖定夾被配置為鎖定測微計的位置。每個調節機構還包括用于測量上卡盤的預加載力的傳感器。
[0010]用于感測對上卡盤的接觸的部件包括接觸傳感器，并且接觸傳感器連接至穿通軸的近端部。接觸上卡盤的底表面引起上卡盤以及附接的穿通軸移動并且接觸傳感器記錄信號。用于感測對上卡盤的接觸的部件包括接觸引導件和預加載彈簧以及球面軸承界面，并且球面軸承界面被配置為接觸止推墊圈，止推墊圈圍繞穿通軸。
[0011]用于調節上卡盤的預加載力的部件包括螺絲和張力彈簧。張力彈簧具有連接至上卡盤的頂表面的遠端部和連接至螺絲的近端部。旋轉螺絲調節彈簧張力并且由此調節上卡盤的預加載力。螺絲還包括具有旋轉軸承捕獲件的插塞，并且旋轉軸承捕獲件保持旋轉軸承，旋轉軸承連接至張力彈簧的近端部。用于調節上卡盤的預加載力的部件還包括圓形夾具，圓形夾具被配置為限制張力彈簧的向上運動。
[0012]該裝置還包括計算機應用，計算機應用被配置為在顯示器上提供三個調節機構的圖像和位置，以及經由用于感測接觸的部件控制和引導上卡盤的運動。當檢測到對上卡盤的接觸時，其中發生接觸的調節機構的圖像點亮。
[0013]下卡盤可以是靜電卡盤。靜電卡盤包括具有集成的加熱絲的陶瓷加熱器、在陶瓷加熱器的頂表面上的薄電介質層以及電互連件。電互連件包括電極塊和由壓接套圍繞的線導體。電極塊被釬焊在陶瓷加熱器的底表面處并且被放置在壓接套的頂部上，并且電極塊、壓接套和線導體位于在陶瓷加熱器的底表面的邊緣處形成的邊緣開口內。該裝置還包括金屬夾持盤和彈簧墊圈。金屬夾持盤和彈簧墊圈也位于邊緣開口內，并且電極塊壓抵壓接套，并且壓接套壓抵夾持盤，并且夾持盤壓抵彈簧墊圈。
[0014]總體而言，在另一方面中，本發明特征在于一種用于晶片結合的方法，包括以下步驟。首先，提供被配置為支撐第一晶片的下卡盤。隨后，提供被配置為支撐第二晶片的上卡盤。第二晶片與第一晶片相對布置。隨后，提供形成在上卡盤和下卡盤之間的處理室。隨后，提供三個調節機構，三個調節機構以彼此成120度的角度被布置在頂蓋周圍并且被定位在處理室外部。每個調節機構包括用于感測對上卡盤的接觸的部件、用于調節上卡盤的預加載力的部件和用于調平上卡盤的部件。該方法還包括手動地調節預加載力以及對上卡盤的調平，以及隨后經由計算機應用引導對上卡盤的接觸。計算機應用被配置為在顯示器上提供三個調節機構的圖像和位置，以及經由用于感測接觸的部件控制和引導上卡盤的運動。當檢測到對上卡盤的接觸時，其中發生接觸的調節機構的圖像點亮。
[0015]總體而言，在另一方面中，本發明特征在于一種晶片結合器裝置，包括被配置為支撐第一晶片的下卡盤和被配置為支撐第二晶片的上卡盤，使得第二晶片與第一晶片相對布置。處理室形成在上卡盤與下卡盤之間，并且下卡盤是靜電卡盤。靜電卡盤包括具有集成的加熱絲的陶瓷加熱器、在陶瓷加熱器的頂表面上的薄電介質層以及電互連件。電互連件包括電極塊和由壓接套圍繞的線導體。電極塊被釬焊在陶瓷加熱器的底表面處并且被放置在壓接套和電極塊的頂部上。壓接套和線導體位于在陶瓷加熱器的底表面的邊緣處形成的邊緣開口內。該裝置還包括金屬夾持盤和彈簧墊圈。金屬夾持盤和彈簧墊圈也位于邊緣開口內，并且電極塊壓抵壓接套，并且壓接套壓抵夾持盤，并且夾持盤壓抵彈簧墊圈。
[0016]在附圖和以下描述中陳述了本發明的一個或多個實施例的細節。根據對優選實施例的以下描述、附圖和權利要求書，本發明的特征、目標和優點將是顯而易見的。
【附圖說明】
[0017]參照附圖，其中相似的標號貫穿若干視圖表示相似的部分:
[0018]圖1描繪了臨時結合器模塊的示意性截面圖；
[0019 ]圖2描繪了根據本發明的臨時結合器模塊；
[0020]圖3描繪了與加載方向垂直的圖2的臨時晶片結合器模塊的截面圖；
[0021]圖4描繪了與加載方向一致的圖2的臨時晶片結合器模塊的截面圖；
[0022]圖5A描繪了具有處于關閉位置的預對準臂的晶片居中設備；
[0023]圖5B描繪了圖5A的晶片居中設備中使用的缺口查找機構；
[0024]圖5C描繪了其中缺口查找器完全接合在晶片缺口中的300mm晶片；
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