用于鍵合兩個(gè)晶片的方法和裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種用于在兩個(gè)晶片（2，3）的連接面V處鍵合所述兩個(gè)晶片（2，3）的裝置，其中設(shè)置具有壓力面（D）的壓力傳輸裝置，所述壓力面D用于以壓力面（D）處的鍵合壓力來(lái)加載晶片（2，3），其特征在于，所述壓力面D比所述連接面V更小。此外，本發(fā)明涉及一種用于在兩個(gè)晶片（2，3）的連接面（V）處鍵合所述兩個(gè)晶片（2，3）的方法，其中通過(guò)具有用于對(duì)晶片（2，3）加載的壓力面（D）的壓力傳輸裝置（1）相繼在所述連接面（V）的子片段上施加鍵合力。
【專(zhuān)利說(shuō)明】用于鍵合兩個(gè)晶片的方法和裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于尤其永久地鍵合兩個(gè)晶片、尤其結(jié)構(gòu)晶片的裝置并且涉及一種根據(jù)權(quán)利要求9所述的對(duì)應(yīng)的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]結(jié)構(gòu)晶片的永久連接或鍵合例如通過(guò)擴(kuò)散鍵合、共晶鍵合或玻璃熔塊鍵合進(jìn)行，其中銅-銅連接在最近幾年對(duì)于一些應(yīng)用目的是特別優(yōu)選的。
[0003]對(duì)于該連接，需要高溫和/或高壓力用于穩(wěn)定的、不可逆轉(zhuǎn)的鍵合。
[0004]在結(jié)構(gòu)晶片的面積變得越來(lái)越大并且直徑變得越來(lái)越薄的情況下，產(chǎn)生對(duì)于鍵合方法越來(lái)越大的困難，因?yàn)樾酒漠a(chǎn)量應(yīng)可能地大。另一方面存在成本有利地和愛(ài)惜地制造晶片之間的連接面或接觸面處的永久鍵合的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]因此，本發(fā)明的任務(wù)是，說(shuō)明用于鍵合晶片的一種裝置和一種方法，借助其能夠?qū)崿F(xiàn)鍵合、尤其是永久鍵合的愛(ài)惜的、有效的和成本有利的制造。
[0006]所述任務(wù)借助權(quán)利要求1和9的特征解決。本發(fā)明有利的改進(jìn)方案在從屬權(quán)利要求中說(shuō)明。由說(shuō)明書(shū)、權(quán)利要求和/或附圖中說(shuō)明的特征的至少兩個(gè)的所有組合也屬于本發(fā)明的范疇。在所說(shuō)明的值范圍中，位于所提到的邊界內(nèi)的值也應(yīng)明顯地被認(rèn)為是邊界值并且可被組合地保護(hù)。
[0007]本發(fā)明的基本思想在于，設(shè)置壓力傳輸裝置，借助所述壓力傳輸裝置相繼在兩個(gè)晶片之間的連接面的子片段上施加鍵合力。換言之，用于以鍵合壓力加載晶片的壓力面比兩個(gè)晶片的連接面更小、尤其明顯更小。因此，根據(jù)本發(fā)明可能的是，降低在確定的時(shí)間整體上待施加的壓力(Druckkraft)，由此一方面愛(ài)惜所述材料，并且另一方面可顯著更成本有利地制造所述裝置。
[0008]尤其在晶片與壓力面直接接觸的情況下，本發(fā)明如此作用，使得針對(duì)用于連接兩個(gè)晶片的壓力加載的構(gòu)造耗費(fèi)明顯下降。這尤其適用于本發(fā)明在從200_直徑起、更優(yōu)選為至少400_直徑的晶片大小的情況下的使用。
[0009]因此，根據(jù)本發(fā)明規(guī)定，使壓力面相對(duì)于晶片的連接面系統(tǒng)地和均勻地、即與連接面平行地運(yùn)動(dòng)并且以壓力均勻地加載連接面。尤其作用于連接面的力的和沿著表面均勻地分布。換言之:在晶片的連接面的壓力加載期間作用于每個(gè)點(diǎn)的合力基本上相同、尤其具有小于20%的偏差、優(yōu)選具有小于10%的偏差。
[0010]根據(jù)本發(fā)明的有利的實(shí)施方式規(guī)定，壓力面小于連接面的80%，尤其小于60%，優(yōu)選小于40%。
[0011]只要壓力面可至少部分地、尤其完全地沿著晶片之一的與連接面背離的加載面運(yùn)動(dòng)，就可以構(gòu)造簡(jiǎn)單地解決本發(fā)明的實(shí)施。在此有利的是，壓力面加載兩個(gè)晶片中的僅僅一個(gè)并且另一個(gè)晶片整面地借助其與連接面背離的承載面固定在容納體、尤其是夾頭上。[0012]此外，根據(jù)本發(fā)明有利的是，鍵合壓力可被施加在連接面的與壓力面對(duì)應(yīng)的子片段上。這尤其當(dāng)壓力面與晶片直接接觸并且不設(shè)置位于它們之間的元件或壓力板或壓力分配器時(shí)是有利的。通過(guò)這種方式可以直接施加壓力并且均勻地沿著連接面加載該壓力。
[0013]通過(guò)可至少部分地、尤其完全地以超聲波加載壓力面，除施加在壓力面上的壓力以外，還可以在連接面處施加振動(dòng)能量。這在沿著連接面、即在晶片的待連接的表面處存在氧化層時(shí)特別有利。特別是結(jié)合根據(jù)本發(fā)明相對(duì)較小的壓力面，簡(jiǎn)化了超聲波振動(dòng)的引入，因?yàn)樵谏婕拜^小的壓力面相應(yīng)較小的力的情況下，尤其在構(gòu)造上可簡(jiǎn)單地施加超聲波振動(dòng)。根據(jù)本發(fā)明的裝置的構(gòu)造因此更加成本有利并且由此才能夠?qū)崿F(xiàn)連接面的均勻的和愛(ài)惜的壓力加載和/或連接面的振動(dòng)加載。
[0014]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)有利的實(shí)施方式規(guī)定，壓力面可與加載面平行地、尤其是線性地或旋轉(zhuǎn)地運(yùn)動(dòng)。壓力面和加載面之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)是決定性的，從而或者通過(guò)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)裝置使壓力傳輸裝置運(yùn)動(dòng)或者使晶片的容納體運(yùn)動(dòng)，或者相應(yīng)更耗費(fèi)地不僅使用于壓力傳輸裝置的驅(qū)動(dòng)裝置而且使容納體運(yùn)動(dòng)。
[0015]只要壓力面是楔形的，就在待圓形加載的晶片的情況下沿著連接面產(chǎn)生均勻的力分布，尤其在旋轉(zhuǎn)加載的情況下。
[0016]只要壓力面是帶狀的，尤其是具有平行的長(zhǎng)邊，就尤其在晶片面為正方形或矩形的情況下，在相同的力耗費(fèi)的情況下產(chǎn)生均勻的壓力分布。否則，必須通過(guò)相應(yīng)的控制將力分布與分別與壓力面接觸的加載面匹配。
[0017]上面描述的裝置特征或方法特征適用于根據(jù)本發(fā)明描述的方法，反之亦然。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)、特征和細(xì)節(jié)從優(yōu)選的實(shí)施例的以下描述中以及根據(jù)附圖得出。示出:
圖1a以側(cè)視圖示出第一實(shí)施方式中的第一方法步驟中根據(jù)本發(fā)明的裝置的橫截面視
圖，
圖1b以側(cè)視圖示出第二方法步驟中根據(jù)圖1a的實(shí)施方式，
圖1c以俯視圖示出第三方法步驟中根據(jù)圖1a和Ib的實(shí)施方式，
圖2示出根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施方式的俯視圖，
圖3示出根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施方式的俯視圖，
圖4a示出本發(fā)明的第四實(shí)施方式的俯視圖，
圖4b示出根據(jù)圖4a的實(shí)施方式的側(cè)視圖。
[0019]在附圖中，相同的或相同作用的特征被以相同的參考標(biāo)記表示。
【具體實(shí)施方式】
[0020]圖1中高度示意性地示出根據(jù)本發(fā)明的裝置，即用作樣品夾具的容納體4，所述容納體尤其作為夾頭配備有未示出的真空軌道用于固定結(jié)構(gòu)晶片3。
[0021]結(jié)構(gòu)晶片3借助其容納體面3ο整面地放置在容納體4上并且必要時(shí)固定在那里。
[0022]在此，容納體4位于尤其可以真空加載的鍵合室中，所述鍵合室假設(shè)已知并且因此不詳細(xì)示出。[0023]第一結(jié)構(gòu)晶片3至少在其與容納體面3ο背離的側(cè)上具有結(jié)構(gòu)5，尤其具有電子部件。
[0024]在第一結(jié)構(gòu)晶片3上或在位于結(jié)構(gòu)晶片3上的結(jié)構(gòu)5上，第二結(jié)構(gòu)晶片2(必要時(shí)連同對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)5’)被放置在第一結(jié)構(gòu)晶片3上或與其接觸。在前面的步驟中，結(jié)構(gòu)晶片2、3彼此對(duì)準(zhǔn)，為此設(shè)置相應(yīng)的對(duì)準(zhǔn)工具(未示出)。
[0025]通過(guò)接觸，在兩個(gè)結(jié)構(gòu)晶片2、3之間(更確切地說(shuō)，在結(jié)構(gòu)晶片2、3的結(jié)構(gòu)5、5’之間)形成連接面V，在所述連接面處兩個(gè)結(jié)構(gòu)晶片2、3彼此連接或在所述連接面處鍵合力應(yīng)在兩個(gè)晶片2、3的連接之后在根據(jù)本發(fā)明的方法結(jié)束時(shí)占優(yōu)勢(shì)。連接面V在通常情形下比結(jié)構(gòu)晶片2、3在結(jié)構(gòu)5、5’那側(cè)上的相應(yīng)表面略小，因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)5、5’被盡可能接近地(整面地)施加于結(jié)構(gòu)晶片2、3的相應(yīng)表面上，以便提高產(chǎn)量。就此而言，附圖中的圖示高度簡(jiǎn)單化并且結(jié)構(gòu)5、5’之間的間隔在現(xiàn)實(shí)中顯著更小。
[0026]在鍵合室中，不僅能以溫度加載結(jié)構(gòu)晶片2、3，而且附加地能以壓力加載結(jié)構(gòu)晶片2、3，其方式是，壓力板I作為壓力傳輸裝置的組成部分被下降到圖1b中所示的位置，其中朝向容納體4或結(jié)構(gòu)晶片2、3的壓力面D被下降到第二結(jié)構(gòu)晶片2的加載面2ο上。壓力面D與加載面2ο平行地對(duì)準(zhǔn)。
[0027]圖1c中，在俯視圖中可看出，以壓力板I可同時(shí)加載加載面2ο的僅僅一個(gè)子片段，因?yàn)閴毫Π錓的壓力面D比加載面2ο明顯更小。通過(guò)相應(yīng)的未示出的驅(qū)動(dòng)裝置，壓力板I 一方面可在與連接面或加載面正交的Z方向上運(yùn)動(dòng)。在圖1c中可以看出，附加地通過(guò)相應(yīng)的X-Y驅(qū)動(dòng)裝置可實(shí)施與加載面2ο或與容納體4的承載面平行的、即在X-Y平面中的運(yùn)動(dòng)。
[0028]在圖1c中所示的實(shí)施方式的情況下，壓力板I旋轉(zhuǎn)，其中加載面2ο由壓力面D以由控制裝置控制的壓力加載。該壓力可通過(guò)力測(cè)量裝置測(cè)量。
[0029]壓力板I或壓力面D通過(guò)兩個(gè)徑向延伸的側(cè)7、8和彎曲的側(cè)6來(lái)限制。彎曲的側(cè)6尤其與側(cè)7、8的交點(diǎn)9同心。交點(diǎn)9同時(shí)構(gòu)成壓力板I的頂點(diǎn)，所述頂點(diǎn)可對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)晶片
2、3的中心。同時(shí)，側(cè)6與結(jié)構(gòu)晶片2、3同心地構(gòu)造和可同心設(shè)置并且可實(shí)施壓力板I的與結(jié)構(gòu)晶片2、3同心地延伸的旋轉(zhuǎn)。因此，通過(guò)壓力板I可均勻地以壓力加載加載面20，其中如此控制壓力面I的壓力加載和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使得在連接面V處在連接面V的每個(gè)點(diǎn)上最后基本上作用了相同的力。因此，實(shí)現(xiàn)了沿著連接面的均勻的鍵合。
[0030]通過(guò)相對(duì)較小的壓力板I或壓力面D使得可能的是，除壓力以外還在連接面V處引入聲波，尤其通過(guò)壓力板I的加載。優(yōu)選使用具有以下功能的超聲波:打破可能的氧化層并且加速或有利于表面粗糙部、即凸起和凹部的接近。結(jié)合溫度加載，沿著在相對(duì)置的結(jié)構(gòu)
5、5’的連接面V處的粗糙部還發(fā)生塑性變形，尤其通過(guò)借助聲波引發(fā)的剪切應(yīng)力。
[0031]通過(guò)壓力板I的旋轉(zhuǎn)，在加載面2ο的位于壓力板I下方的子片段中和由此在連接面V的位于壓力板I下方的子片段中分別作用一個(gè)壓力，尤其結(jié)合設(shè)置在壓力板I處的聲波輻射器(未示出)的聲波。連接面V中的壓力通過(guò)旋轉(zhuǎn)持續(xù)地分布在整個(gè)連接面V上。
[0032]在圖2中示出的實(shí)施方式中，除壓力板I以外還設(shè)置加載沒(méi)有由壓力板I加載的加載面2ο的第二壓力板15。第二壓力板15與壓力板I尤其等距離地隔開(kāi)，并且尤其可通過(guò)自身的驅(qū)動(dòng)裝置，優(yōu)選與壓力板I無(wú)關(guān)地，尤其與壓力板I同步地旋轉(zhuǎn)。因此，根據(jù)本發(fā)明，在壓力板I的區(qū)域中能夠?qū)崿F(xiàn)壓力加載以及同時(shí)的聲波加載，并且在第二壓力板15的區(qū)域中能夠?qū)崿F(xiàn)(尤其具有與壓力板I的情況下相同的壓力的)壓力加載，其中優(yōu)選不以聲波加載第二壓力板15。
[0033]結(jié)構(gòu)晶片2、3彼此的相對(duì)移動(dòng)得以避免，其方式是，在壓力傳輸裝置在X-Y平面中運(yùn)動(dòng)之前發(fā)生足夠強(qiáng)的預(yù)鍵合。這例如可以通過(guò)在確定的時(shí)間間隔期間的壓力加載和/或在確定的時(shí)間間隔期間的溫度加載和/或通過(guò)結(jié)構(gòu)晶片2、3尤其在結(jié)構(gòu)晶片2、3的圓周區(qū)域中相對(duì)于彼此的固定進(jìn)行。
[0034]因此，通過(guò)圖2中示出的實(shí)施方式，能夠?qū)崿F(xiàn)以均勻的壓力對(duì)加載面2ο的幾乎整面的加載，其中在壓力板I的區(qū)域中可以附加地引入振動(dòng)。
[0035]在圖3中所示的實(shí)施方式中，通過(guò)沿著線性方向L的線性運(yùn)動(dòng)進(jìn)行壓力加載，其中壓力板I’設(shè)有帶狀的壓力面D。壓力面D具有兩個(gè)平行的長(zhǎng)邊10和兩個(gè)連接所述平行的長(zhǎng)邊10的側(cè)11?？扇绱嗽O(shè)置壓力板I’，使得長(zhǎng)邊10與線性方向11正交地對(duì)準(zhǔn)。
[0036]第二結(jié)構(gòu)晶片2的加載面2ο通過(guò)線性運(yùn)動(dòng)和同時(shí)的壓力加載(和尤其是以聲波的附加加載)被持續(xù)地鍵合，其中另外關(guān)于圖1的實(shí)施類(lèi)似于圖1a至Ic地成立。
[0037]圖4a和4b中示出的實(shí)施方式近似示出根據(jù)圖la、lb、lc、2和3的三種實(shí)施方式的組合。
[0038]圖4a和4b示出工具30作為壓力傳輸裝置的組成部分，所述工具由圓錐形地通向壓力面D的壓力元件17、對(duì)壓力元件17加載的桿22和支撐梁18組成。
[0039]工具30尤其可以在z方向上振動(dòng)或振蕩。壓力面D在縱向A上至少如待加載的第二結(jié)構(gòu)晶片2的直徑那么長(zhǎng)，尤其至少300_ (長(zhǎng))。與此相反，與縱向A垂直地，即在橫向方向Q上，壓力元件17的壓力面D非常薄，尤其小于10mm，優(yōu)選小于5mm，更優(yōu)選地小于Imm (寬)。與根據(jù)圖3的實(shí)施方式類(lèi)似，壓力面的分別相對(duì)置的側(cè)平行延伸。寬度和長(zhǎng)度之間的比例小于1/30，尤其小于1/50，更優(yōu)選地小于1/100。
[0040]壓力元件17可圍繞桿22尤其來(lái)回旋轉(zhuǎn)，其中未示出旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)裝置。該旋轉(zhuǎn)圍繞轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)9進(jìn)行，尤其與結(jié)構(gòu)晶片2或容納體4同心地進(jìn)行，假定結(jié)構(gòu)晶片2、3相應(yīng)對(duì)準(zhǔn)。
[0041]沖頭21a和21b通過(guò)靜態(tài)的壓力固定晶片2和3，由此在壓力元件17的旋轉(zhuǎn)期間防止晶片2、3彼此的移動(dòng)。
[0042]壓力元件17接觸晶片2的表面20。優(yōu)選振動(dòng)的和或振蕩的運(yùn)動(dòng)與靜態(tài)壓力疊加。隨后，壓力元件17開(kāi)始圍繞轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)9轉(zhuǎn)動(dòng)。沖頭21a和21b在此將該旋轉(zhuǎn)的角度范圍限制在90°，其中可以多次重復(fù)在所述角度范圍內(nèi)的旋轉(zhuǎn)。在90°轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)期間，兩個(gè)晶片的面的約50%彼此鍵合。隨后，從加載面2ο取下沖頭2Ia和21b，以便減輕加載面的負(fù)擔(dān)。接著將兩個(gè)沖頭21a和21b圍繞轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)9轉(zhuǎn)動(dòng)90°。沖頭21a和21b隨后又被按壓在第二晶片2的加載面2ο上并且固定第二晶片。最后，工具繼續(xù)圍繞轉(zhuǎn)動(dòng)點(diǎn)9進(jìn)行通過(guò)靜態(tài)壓力和/或振動(dòng)和/或振蕩置加的90°的轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)，以便使晶片表面的剩余的50%彼此鍵合?？梢远啻沃貜?fù)這個(gè)過(guò)程。
[0043]壓力面1、1’可以借助圖案被結(jié)構(gòu)化。優(yōu)選地，所述圖案是規(guī)則的。
[0044]參考標(biāo)記列表
1，1’壓力板
2，2’第二結(jié)構(gòu)晶片
2ο，2ο’加載面3第一結(jié)構(gòu)晶片3ο容納體側(cè)
4容納體5，5’結(jié)構(gòu)
6側(cè)
7側(cè)
8側(cè)
9交點(diǎn)
10長(zhǎng)邊
11側(cè)
15第二壓力板
V連接面
D壓力面
L線性方向
【權(quán)利要求】
1.用于在兩個(gè)晶片(2，3)的連接面V處鍵合所述兩個(gè)晶片(2，3)的裝置，其中設(shè)置具有壓力面D的壓力傳輸裝置，所述壓力面D用于以所述壓力面D處的鍵合壓力來(lái)加載晶片(2，3)，其特征在于，所述壓力面D比所述連接面V更小。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述壓力面D小于所述連接面V的80%，尤其小于60%，優(yōu)選小于40%。
3.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述壓力面D能夠至少部分地、尤其完全地沿著晶片(2，3)之一的與所述連接面V背離的加載面(2o，2o’)運(yùn)動(dòng)。
4.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述鍵合壓力能被施加在所述連接面V的與所述壓力面D對(duì)應(yīng)的子片段上。
5.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其中能夠至少部分地、尤其完全地以超聲波加載所述壓力面。
6.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述壓力面D能與所述加載面(20，20’)平行地、尤其是線性地或旋轉(zhuǎn)地運(yùn)動(dòng)。
7.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述壓力面D被構(gòu)造為楔形的。
8.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述壓力面D是帶狀的，尤其具有平行的長(zhǎng)邊(10)。
9.用于在兩個(gè)晶片(2，3)的連接面V處鍵合所述兩個(gè)晶片(2，3)的方法，其中通過(guò)具有用于對(duì)晶片(2，3)加載的壓力面D的壓力傳輸裝置(I)相繼在所述連接面V的子片段上施加鍵合力。
【文檔編號(hào)】H01L21/762GK103582940SQ201280015662
【公開(kāi)日】2014年2月12日 申請(qǐng)日期:2012年3月30日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月11日
【發(fā)明者】埃里?！に柤{ 申請(qǐng)人:埃里希·塔爾納