晶片到晶片的熔接结合卡盘的制作方法
【专利摘要】本申请涉及晶片到晶片的熔接结合卡盘。晶片结合卡盘的卡盘面，包括扁平的中央区和与中央区邻接的外部环形区，所述外部环形区比扁平的中央区低，使得安装到所述卡盘面的晶片的环形边缘部分相对于所述结合卡盘的卡盘面具有凸起的轮廓。所述外部环形区可以沿着与所述中央区垂直的轴移动。卡盘面可以包括多个邻接的区，这些区中至少一个相对于这些区中另一个可移动。
【专利说明】晶片到晶片的熔接结合卡盘
【技术领域】
[0001]本发明总体上涉及工件卡盘领域，并且更具体地说，涉及具有可移动卡盘面区的晶片结合卡盘。
[0002]相关申请的交叉引用
[0003]本申请涉及于2013年3月14日提交的、标题为“Wafer-to-Wafer Oxide Fus1nBonding (晶片到晶片的氧化物熔接结合)”的美国专利申请序列号13/826,229。
【背景技术】
[0004]半导体器件一般是在直径从I至18英寸变化的晶片衬底上按阵列生产的。然后，器件被分离成个别的器件或管芯，这些器件或管芯被打包，以便在更大电路的背景下允许器件的实际宏观层面的连接。随着对芯片密度和更小打包形式因子的需求增加，在电路的三维集成中已经取得了进展。在这种技术中，器件被堆叠，并且在垂直或z方向结合。一般来说，堆叠的器件通过器件上的电触点焊盘电耦合。
[0005]用于垂直地集成器件的一种流行工艺是晶片到晶片的集成方案，其中一个晶片上的器件与另一个晶片上的器件对准，并且晶片利用氧化物-氧化物熔接结合而被结合到一起。然后，其中一个晶片被薄化，以暴露连接到另一个晶片的硅通孔，或者在薄化之后构造连接到另一个晶片的硅通孔。对于氧化物-氧化物熔接结合来说，其中一个挑战是在晶片堆薄化工艺中在晶片边缘区由于结合空穴和缺陷所造成的剥落、开裂和脱层。这一般是通过在结合之后或者在初步薄化之后执行切边步骤以除去有缺陷的边缘区来处理的，这导致减小晶片上的可用空间并减小产出。如果最终器件包括多层，则每次晶片到晶片结合和/或薄化之后的额外切边会进一步减小产出。
[0006]期望有一种减少或消除边缘区中由于结合空穴和缺陷所造成的缺陷的结合工艺，由此增加制造产出。
【发明内容】
[0007]本发明的实施例公开了一种晶片结合卡盘的卡盘面，包括扁平的中央区和与该中央区邻接的外部环形区，外部环形区比扁平的中央区低，使得安装到该卡盘面的晶片的环形边缘部分相对于结合卡盘的卡盘面具有凸起的轮廓。在另一种实施例中，外部环形区沿着与中央区垂直的轴移动。在另一种实施例中，卡盘面包括多个邻接的区，这些区中的至少一个相对于这些区中的另一个可移动。
【专利附图】
【附图说明】
[0008]图1是根据本发明一种实施例、说明氧化物-氧化物熔接结合工艺的步骤的流程图。
[0009]图2是根据本发明一种实施例、说明图1氧化物-氧化物熔接结合工艺的热压结合步骤的工艺配方图。
[0010]图3是根据本发明一种实施例、示出装载到初始结合卡盘的一对晶片的横截面视图。
[0011]图4是根据本发明一种实施例、示出处于初始范德华力结合状态的图3晶片对的横截面视图。
[0012]图5是根据本发明一种实施例、示出从初始结合卡盘释放并且处于初始范德华力结合状态的图4晶片对的横截面视图。
[0013]图6是根据本发明一种实施例、示出装载到扁平结合卡盘准备进行热压结合工艺的图5晶片对的横截面视图。
[0014]图7是根据本发明一种实施例、示出在热压结合工艺之后图6晶片对的横截面视图。
[0015]图8、9和10是根据本发明一种实施例、示出可以代替图3边缘倾斜的结合卡盘的可调节双区结合卡盘的横截面视图。
[0016]图11是根据本发明一种实施例的图8可调节双区结合卡盘的平面图。
[0017]图12是根据本发明一种实施例的图8可调节双区结合卡盘的透视图。
[0018]图13和14是根据本发明一种实施例、示出可以代替图3边缘倾斜的结合卡盘以及图8可调节双区结合卡盘的可调节多区结合卡盘的横截面视图。
【具体实施方式】
[0019]这里详细描述的本发明的实施例针对通过增强晶片边缘的边缘区结合而改进氧化物-氧化物熔接结合，以减少或消除边缘剥落和开裂的工艺。在所公开的实施例中，低温热压步骤在对准与初始结合步骤之后并且在永久性结合退火步骤之前执行。如进一步公开的，热压步骤可以借助结合卡盘来执行，除了其它可能的优点，结合卡盘操作成通过增强边缘区结合而改进氧化物-氧化物熔接结合，以减少或消除边缘剥落和开裂。
[0020]应当认识到，虽然这里描述了具体的晶片衬底结合工艺流程，但是这种描述仅仅是示例性的，并且所公开的原理也适用于各种类型的导电材料、介电和粘合性界面材料，以及多种类型的半导体晶片与衬底。这种结合可以包括诸如面对面和面对背结合的布置，并且这样结合的结构也还可以包括微机电系统(MEMS)结构。
[0021]为了以下描述，诸如“上”、“下”、“右”、“左”、“垂直”、“水平”、“顶部”、“底部”等位置术语涉及所公开的结构与方法，如在附图中所定向的，并且不应当认为是对实施例的限制。
[0022]典型氧化物-氧化物熔接结合工艺的一个已知缺点是，在已结合的晶片对的现有径向尺寸上，在边缘区中的缺陷。扫描声学显微技术，例如超声波C-模扫描声学显微技术，已经显示边缘缺陷可以至少部分地以晶片-晶片结合界面的微空穴的聚集为特征。这些微空穴是晶片之间还没有发生结合的区域，这些微空穴可以具有大约0.5微米至大约100微米或更大的直径。在机械薄化的过程中，未结合的区域很容易断裂和撕裂。处理这些边缘缺陷的典型方法是把它们作为结合工艺的一个副产品来接受，并且通过执行例如大约0.5mm至大约1mm的切边来减小它们超过其附近的影响。在制造涉及多次结合的垂直集成器件期间，所需切边的累积效应会导致否则本来可用的晶片区域的显著损失。
[0023]微空穴边缘缺陷会由于在初始范德华结合工艺过程中、在初始结合与永久性结合退火工艺之间的期间、以及在永久性结合退火工艺过程中在结合界面出现的人工产物而产生，然后会在永久性结合退火工艺过程中被密封在原位。微空穴缺陷的一种可能成因可能涉及在初始室温晶片-晶片结合中所涉及的相对弱的范德华力，尤其是在晶片边缘。不同于由于分子与原子之间化学或原子结合造成的那些力，范德华力通常定义为分子与原子之间的吸引力与排斥力之和。范德华力是相对弱的力，并且在呈现偶极矩的分子之间，范德华力一般导致弱吸引力。在芯片制造领域，一对适当制备好的晶片面将在室温下晶片面放得彼此足够靠近时呈现范德华力吸引。在本发明的实施例中，初始结合工艺的结合是晶片面之间的范德华力结合。
[0024]初始范德华力结合一般足以允许晶片对准测试并且传送到下游工序。但是，范德华力仍然相当弱，并且必须观察特殊的处理需求。例如，小的开启力，诸如由锋利的刀片强加到结合界面的力，通常可能足以造成晶片的局部脱层。由于弱的范德华暂时结合力，有可能在晶片运输、晶片存储和退火工艺过程中造成最初已结合的晶片边缘之间的空隙，这种空隙足以让空气分子和湿气扩散到该空隙中。位于晶片边缘的空隙还会被固有的晶片弯曲和翘曲，以及被由于例如在典型初始结合工艺过程中因中央固定和边缘释放所导致的残留弯曲力恶化。
[0025]此外，在永久性结合热退火步骤过程中，硅烷醇基团的缩合生成水。在这个步骤过程中，氧化物结合材料的脱气也会发生。照此，气压会在晶片空隙中堆积，压力梯度从晶片的中央指向晶片的边缘。因为边缘区可能是弱结合区，所以这种脱气会导致边缘区中气泡聚集。随着永久性结合热退火步骤的进行，这些气泡以及扩散的空气和湿气分子会变得存留在边缘区中。
[0026]为什么微空穴边缘缺陷在典型氧化物-氧化物熔接结合工艺过程中发生的其它可能原因包括:晶片表面清洗工艺中在边缘除去残留物时的潜在不足，或/和会导致晶片边缘比晶片中央效率更低效等离子体处理的等离子体活化室设计的不足。而且，结合卡盘设计会有助于在气泡与扩散的空气和湿气分子完全从晶片之间脱气之前俘获它们。
[0027]关于范德华力初始结合，晶片表面之间吸引力的强度至少随着表面之间距离的平方的逆减小。因此，并且尤其是靠近晶片表面轴向边缘，大约Inm的局部晶片分离可能足以显著地减小被分离的表面之间的范德华力，并且可能破坏或抑制初始结合工艺的范德华力结合波，如以下更具体描述的。关于已活化和清洗的硅晶片表面，也在以下更具体地讨论，范德华力主要由S1H偶极-偶极交互产生。初始范德华力结合状态下的晶片表面可以通过大约3-4 λ分离。因为空气中0、N、CH4和水蒸汽的范德华半径分别是大约1.5、1.5、1.2
和2.8盖，所以这些物质有可能扩散到晶片-晶片空隙中，如以上所提到的。
[0028]图1是根据本发明一种实施例、说明氧化物-氧化物熔接结合工艺的步骤的流程图。在结合准备过程中，要被结合的晶片表面利用氧化硅层沉积，然后利用例如化学-机械抛光技术平坦化(步骤100)。在某些实施例中，要结合的晶片表面不限于具有外在沉积的氧化硅层的那些表面，而是还可以包括具有内在氧化硅表面的表面，诸如玻璃衬底。然后，晶片表面经受活化处理，例如在部分真空的条件下在氮中的等离子体活化，然后利用例如水超声波清洗技术清洗(步骤102)。
[0029]在活化和清洗之后，晶片装载到初始结合卡盘并且对准(步骤104)。图3是根据本发明一种实施例、示出装载到初始结合卡盘304和306的一对清洗且活化之后的晶片300和302的横截面视图。如所说明的，顶部晶片300可以在顶部卡盘304上装载并对准，并且可以通过施加到真空通道(诸如真空通道308)的真空保持在顶部卡盘304的卡盘面上的对准位置。在优选实施例中，顶部卡盘304可以是典型的扁平结合卡盘。类似地，底部晶片302可以在底部卡盘306的卡盘面上装载并对准，并且可以通过施加到真空通道(诸如真空通道310)的真空保持在底部卡盘306的卡盘面上的对准位置。在优选实施例中，底部卡盘306不是典型的扁平结合卡盘。相反，底部卡盘306的卡盘面可以主要是平的，但在环形边缘区区域312中具有从顶部结合卡盘304倾斜的环形边缘区。在本发明的优选实施例中，底部晶片302可以通过真空通道310靠着边缘倾斜的底部卡盘306的卡盘面保持在适当的位置，使得底部晶片302的环形边缘区从顶部晶片300的结合面偏离。在某些实施例中，底部晶片302可以通过真空通道、静电力、其它可释放的吸引或钳制装置或者这些的组合，靠着边缘倾斜的底部卡盘306保持在适当的位置。
[0030]根据如图3中所说明的本发明的实施例，在晶片300和302装载到初始结合卡盘304和306并且对准之后(步骤104)，初始室温结合工艺可以利用典型扁平结合卡盘304和边缘倾斜结合卡盘306的组合执行(步骤106)。在初始室温结合工艺中，顶部和底部结合卡盘304和306分别被带到彼此附近。顶部晶片300的中心可以通过例如可以向下延伸通过顶部卡盘304的中心销(未示出)向下偏置，使得顶部晶片300的结合面接触到底部晶片302的结合面。然后，顶部卡盘304中所有真空通道308上的真空都可以释放，并且顶部晶片300向下吸到底部晶片302上。径向范德华力结合波分别从顶部晶片300和底部晶片302的初始中心接触点向外传播，并且在晶片结合面之间形成初始范德华力结合。
[0031]图4是根据本发明一种实施例、示出处于初始范德华力结合状态的一对晶片300和302的横截面视图。如所说明的，底部晶片302可以通过施加到真空通道310的真空靠着边缘倾斜的底部卡盘306固定到位。除了在底部晶片302从顶部晶片300的结合面偏离的环形边缘区312中之外，已经从顶部卡盘304释放的顶部晶片300与底部晶片302已经在其相对的结合面之上形成了范德华力初始结合。底部晶片302从顶部晶片300的结合面偏离的环形边缘区312定义了特征为环形区的边缘间隙400，在这个间隙400中顶部晶片300和底部晶片302彼此不结合，并且晶片彼此不接触。
[0032]图5是根据本发明一种实施例、示出从初始结合卡盘304和306释放并且处于初始范德华力结合状态的晶片300和302的横截面视图。如以下关于图1的步骤108更具体解释的，已结合的晶片对准备进行热压与永久性退火结合工艺，这个工艺可以利用扁平结合卡盘执行。如图5中所说明的，没有偏置力分别作用在顶部晶片300和底部晶片302上。这允许底部晶片302的环形边缘区312放松到更靠近顶部晶片300的环形边缘区312的位置，但是，边缘间隙400留在底部晶片302与顶部晶片300之间。除了环形边缘区312中之夕卜，晶片300和302相对的结合表面处于初始结合状态。在边缘区312中，晶片300和302的结合面可能没有完全彼此结合，或者可能只弱结合，其特征在于与已经经受范德华结合波的晶片对的内部径向部分相比而言显著更小的范德华结合位置，并且至少在边缘区312的外部，被边缘间隙400分离。
[0033]在本发明的实施例中，底部卡盘306的卡盘面的环形边缘区312具有足以破坏范德华结合波，并且当已结合的晶片对已经从底部卡盘306释放时允许晶片300和302的边缘区312的至少外部径向部分保持不结合或弱结合，并且允许初始结合晶片之间的边缘间隙400具有结合面之间在边缘间隙400的外部至少几纳米分离的径向尺寸和边缘倾斜轮廓。如以下将更具体解释的，让未结合的环形边缘区具有晶片结合面之间至少几纳米的分离，可以方便当真空在工具室中施加时可能已经扩散到空隙中、或者在初始结合时存在的、或者可能作为热压工艺的反应副产品产生的空气和水蒸汽分子，从晶片-晶片空隙尤其是在边缘区脱气，以下关于图1的步骤108描述。
[0034]在本发明的各种实施例中，底部卡盘306的卡盘面的边缘区312具有在大约0.5mm和大约1mm之间的径向环形宽度范围，如从晶片结合面的现有径向尺寸测出的。更优选地，径向环形宽度在大约3mm和大约5mm之间变动。关于边缘斜坡的轮廓，斜率的变化与足够大的曲率半径一起发生，从而当晶片边缘真空偏置到卡盘面时不让晶片遭受可能对晶片造成损坏的急弯。边缘斜坡轮廓可以包括恒定的或者变化半径的弧，诸如减小半径的弧，或者具有从平的内部卡盘区域弯曲过渡的线性部分。一般来说，边缘斜坡轮廓可以是具有从平的内部卡盘区域弯曲过渡的线性部分，足以在结合面的现有径向范围在晶片结合面之间产生I纳米和几百微米之间的间隙，更优选地是5纳米和10微米之间，并且最优选地是10纳米和I微米之间。
[0035]在初始范德华力结合(步骤106)之后，晶片对经受热压结合工艺(步骤108)。这个工艺可以对扁平卡盘之间已初始结合的晶片对执行。图6是根据本发明一种实施例、示出在准备热压结合工艺中装载到扁平结合卡盘600和602的已初始结合的晶片对300和302的横截面视图，其中卡盘600和602可以分别包括真空通道604和606。如所说明的，晶片300和302处于初始范德华力结合状态，边缘间隙400在边缘区312中分离晶片。
[0036]热压结合步骤在最终的永久性退火结合步骤之前增强初始范德华晶片-晶片结合。在本发明的实施例中，热压结合步骤操作成:强化晶片之间的范德华结合；启动氧化物表面上硅烷醇基团的低温缩合；通过室真空与热能量促进空气、由于初始硅烷醇缩合造成的水蒸汽以及可能在已初始结合的晶片之间存在的污染物分子的脱气；并且操作成在边缘区312中在晶片之间形成高质量的范德华结合，这种结合具有比典型的初始结合工艺之后所存在的显著更少的结合缺陷。
[0037]图2是根据本发明一种实施例、说明图1步骤108的热压结合工艺的工艺配方图。该工艺配方包括三个工艺变量:工具室空气压力、工具室温度以及结合卡盘压缩力。如所说明的，在时刻T0，室压力处于环境大气压，不施加结合卡盘压缩力，并且工具室从环境室温的加热开始。在时刻T1，工具室已经达到大约120°C和大约150°C之间的温度。在一种示例性实施例中，Tc^PT1之间的时间间隔可以是大约10分钟至大约15分钟。在本发明的实施例中，热压工艺温度足以至少启动晶片氧化物表面上硅烷醇基团的初始缩合，这导致晶片表面之间(-0-)35卜0^(-0-)3键的形成，以及缩合反应所生成的H2O分子的形成。在1\和T2的室温度没有高到足以显著地造成活化的晶片表面失活，例如不大于大约250°C，使得晶片表面不能在施加压缩力的时候通过缩合反应彼此结合。依赖于晶片表面的成分、清洗和活化工艺、工具室大气的成分以及其它工艺变量，启动氧化物表面上硅烷醇基团的缩合所需的室温度可以变化。虽然室温度是由单个轮廓线表示的，但是在某些实施例中，工艺配方可以包括多个温度变量，例如，顶部和底部室温度。
[0038]并且，在时刻T1，工具室大气的排空开始，排空在时刻T2完成。通过分子经边缘间隙400的扩散，对室大气施加真空导致从晶片-晶片空隙基本上去除空气和污染物分子。类似地，由于已初始结合的区域中晶片氧化物表面之间硅烷醇缩合反应导致的水分子也可以被去除，根据Le Chatelier原理,这具有把缩合反应平衡向前推的效果。在一种示例性实施例中，室大气压力可以减小到大约10_2至大约10_5mbar (毫巴)或者更小，并且T1和T2之间的时间间隔可以是大约5分钟至大约15分钟。
[0039]并且，在T2，压缩力施加到结合卡盘600和602。压缩力用于方便晶片氧化物表面之间的硅烷醇缩合反应，通过把晶片表面带到更近(大约在几埃之内)，具有附带的水蒸汽反应副产品。压缩力还用来基本上消除边缘间隙400，使得在压缩间隔结束时，边缘区312中的晶片表面分离基本上与结合的晶片对的内部区域中的晶片分离相同。在一种优选实施例中，当边缘间隙400已基本被消除时，在压缩间隔期间被促进的硅烷醇缩合反应所产生的水蒸汽，可以基本上通过压缩间隔结束时的真空扩散，经由边缘间隙400从晶片-晶片空隙基本上去除。在一种示例性实施例中，大约IkN至大于75kN的压缩力施加大约I至大约15分钟。基于晶片300和302的特殊特征，诸如成分、晶片中或其上建立的结构、晶片厚度等，施加较小的压缩力更长的间隔可能更优。在某些实施例中，压缩力可以在压缩间隔上变化。例如，压缩力可以在初始值开始并且随压缩间隔增加至最终的值。在时刻T3，工具室中的真空被释放，结合卡盘压缩力被去除，并且室温度可以返回环境室温。
[0040]在优选实施例中，热压结合工艺配方变量相互操作，以便从晶片-晶片界面除去空气、污染物及硅烷醇缩合反应副产品分子并且“密封”边缘间隙400，使得这种分子不可能在永久性退火步骤期间在边缘区中生成和积累并且生成边缘缺陷。图7是根据本发明一种实施例、示出在热压结合工艺之后已结合的晶片对300和302的横截面视图。如所说明的，晶片对300和302的边缘区312被“密封”，并且边缘间隙不存在。
[0041]在热压结合工艺(步骤108)之后，晶片对经受最终的永久性退火结合工艺(步骤110)。在本发明的实施例中，永久性退火结合工艺可以在比典型永久性退火结合工艺小的温度和持续时间发生。根据本发明的实施例，因为热压工艺已经导致比典型初始范德华结合工艺更低的晶片氧化物表面分离和更高的硅烷醇缩合水平，因此永久性退火结合工艺的温度和持续时间可以都比如果没有中间热压工艺的话更低。热压步骤期间所施加的压缩力使晶片表面比如果不施加压缩力的话更紧密。因此，由于缩合反应期间相邻硅烷醇基团之间增加的冲突可能性，结合动力可以被促进。因此，热压步骤可以实现某种程度的界面化学键合并且减小永久性退火步骤所需的持续时间与温度。此外，热压步骤之后减小的晶片空隙可以促进永久性退火期间的结合动力。相对于300°c或更大的典型最终退火结合工艺温度，在一种示例性实施例中，永久性退火结合工艺可以具有大约250°C的最高温度值，并且相对于2小时或更多的典型最终退火工艺持续时间，该工艺持续时间可以是大约60分钟。更低工艺温度和更短持续时间的优点可以包括更低的热预算、更快的工艺周期时间或者晶片的更小损坏或热变形。对于晶片的多堆叠集成方案，优点还可以包括晶片堆减小的累积热暴露，这可能改善对这种多层结构的可靠性降级风险。
[0042]图8、9和10是根据本发明一种实施例、示出可代替图3边缘倾斜的结合卡盘306的可调节双区结合卡盘的横截面视图。可调节双区结合卡盘808具有被外部区812包围的中央区810。结合卡盘区810和812相对于彼此沿着一个轴在剪切方向移动，这个轴可以与卡盘区810和812的卡盘面的平面表面垂直。在本发明的实施例中，中央卡盘区810可以相对于外部卡盘区812的卡盘面处于突起的位置或者降低的位置。在某些实施例中，卡盘区810和812的卡盘面边缘可以是倒角或圆角，从而减小晶片302中跨卡盘区810和812之间边界的应力。在优选实施例中，卡盘区810和812的移动可以被例如精度液压活塞布置控制，从而允许大约0.1微米至大约I微米范围的移动，卡盘区810和812之间的相对移动在大约0.1微米至大约100微米范围。
[0043]如图8中所说明的，晶片300和302已经准备好结合(见步骤100，图1)，已经被活化和清洗(见步骤102)，已经在结合卡盘804和808中对准并且通过例如诸如真空通道806和814的真空通道靠着卡盘面固定在位(见步骤104)，并且准备好进行初始室温结合工艺(见步骤106)。如所说明的，可调节双区结合卡盘808的中央区810和外部区812处于使得中央区810的卡盘面部分相对于外部区812的卡盘面部分处于突起位置的相对位置。根据以上关于图3和边缘倾斜的结合卡盘306的描述，在这种位置关系，至少底部晶片302的边缘区312从上部晶片300的边缘区312偏离。在某些实施例中，底部晶片302可以通过真空通道、静电力、其它可释放的吸引或钳制装置或者这些的组合，靠着可调节双区结合卡盘808的卡盘面固定在位。
[0044]图9是根据本发明一种实施例、示出处于初始范德华结合状态的晶片300和302的横截面视图。如所说明的，底部晶片302可以通过施加到真空通道(诸如真空通道814)的真空靠着可调节双区结合卡盘808的卡盘面固定在位。除了在晶片300和302的环形边缘区312中之外，已经从顶部卡盘804释放的顶部晶片300与底部晶片302已经在其相对的结合面上形成范德华力初始结合。根据以上关于图4和边缘间隙400的描述，在边缘区312中，底部晶片302从顶部晶片300的结合面偏离并且限定可以特征化为环形区的边缘间隙400，在这个间隙400中顶部晶片300和底部晶片302彼此不结合并且晶片彼此不接触。
[0045]图10是根据本发明一种实施例、示出在热压结合工艺之后已结合的一对晶片300和302的横截面视图。如所说明的，晶片对300和302的边缘区312被“密封”并且晶片之间的边缘间隙不存在。可调节双区结合卡盘808的中央区810和外部区812现在处于使得卡盘区810和812的卡盘面部分共面的相对位置。
[0046]在本发明的示例性实施例中，中央区810和外部区812可以调整成处于使得在关于图1步骤106所述的初始室温结合工艺之后卡盘区810和812的卡盘面共面的相对位置。利用处于共面关系的中央区810和外部区812，晶片300和302经受热压结合工艺和永久性退火结合工艺，如关于图1的步骤108和110所描述的。在某些实施例中，中央区810和外部区812可以在热压结合工艺期间，例如在工具室的加热和排空之后，并且在结合卡盘压缩力的施加之前，调整成处于共面关系。见例如图2的时刻T2。在某些情形下，这可以增强晶片对之间空隙内分子的脱气。
[0047]图11和12分别是根据本发明一种实施例的可调节双区结合卡盘808的平面与透视图。如所说明的，中央区810相对于外部卡盘区812的卡盘面处于突起的位置。边缘区312在图上被虚线限定。
[0048]在优选实施例中，至少中央卡盘区810可以是圆形的，以允许环形的边缘区312。在其它实施例中，中央卡盘区810以及外部卡盘区812中中央卡盘区810在其中移动的对应空穴，形状可以不是圆形的，以容许某些晶片的特殊设计与工艺需求。在某些实施例中，顶部卡盘804和底部卡盘808可以是可调节双区结合卡盘。
[0049]可调节双区结合卡盘808，结合例如另一个这种卡盘、如下所述的可调节多区卡盘或者典型的扁平卡盘，可以允许其中一致或不一致的压缩力可以施加到晶片对的结合工艺。对于每个卡盘区来说，还可以定义力随时间的曲线图。也可以进行晶片对某些区域的递增结合。
[0050]除了满足边缘倾斜卡盘306 —元化设计的功能性需求和优点，如以上关于图3和4所描述的，可调节双区结合卡盘808还有其它优点。例如，利用可调节双区结合卡盘，诸如卡盘808，作为氧化物-氧化物熔接结合工艺中的底部卡盘，诸如关于图1所描述的，可以消除从边缘倾斜结合卡盘306除去最初结合的晶片对300和302、对于扁平结合卡盘换出卡盘306(诸如图6中的卡盘602)、把晶片对装载到扁平卡盘并且执行热压和永久性退火工艺的需求，如关于图1的步骤108和110所描述的。这可以减少需要驻留在晶片结合工具中的卡盘的个数。此外，在氧化物-氧化物熔接结合工艺的各种工艺步骤期间和之间，对于中央卡盘区810和外部卡盘区812，结合卡盘压缩力可以用不同的量级和不同的力随时间的曲线图来施加。
[0051]图13和14是根据本发明一种实施例、示出可代替图3边缘倾斜的结合卡盘306以及图8可调节双区结合卡盘808的可调节多区结合卡盘1300的横截面视图。如所说明的，可调节多区结合卡盘1300具有被多个环形外部区1304至1314包围的中央区1302。结合卡盘区1302至1314可以沿着一个轴在剪切方向相对于彼此移动，这个轴可以与卡盘区的卡盘面的平面表面垂直。在本发明的各种实施例中，每个卡盘区可以相对于其它卡盘区是突起的或者降低的。在某些实施例中，卡盘区1302至1314的卡盘面边缘可以是倒角或圆角，从而减小晶片302中跨卡盘区之间边界的应力。在优选实施例中，卡盘区1302至1314的移动可以通过例如精度液压活塞布置控制，从而允许大约0.1微米至大约I微米范围内的移动，卡盘区1302至1314的移动在大约0.1微米至大约100微米范围内。在某些实施例中，一个或多个卡盘区1302至1314可以具有用于靠着卡盘的卡盘面把晶片固定到位的真空通道(未示出)、静电力、或者其它可释放装置。
[0052]图13是示出关于接触晶片302的每个卡盘区的表面处于平面关系的可调节多区结合卡盘1300的卡盘区1302至1314的横截面视图。图14是示出相对于由下部晶片302提供的参考平面处于中央拱形位置布置的可调节多区结合卡盘1300的卡盘区1302至1314的横截面视图，其中每个卡盘区相对于离中央卡盘区1302更近的下一个卡盘区处于降低的位置。
[0053]在不同的位置布置中，除外部卡盘区1314之外的所有卡盘区都可以处于平面位置关系，并且最外面的卡盘区1314可以与其它卡盘区处于降低的关系。当中央卡盘区810相对于外部卡盘区812处于突起的位置关系时，这种位置布置将导致与图3边缘倾斜卡盘306以及图8可调节双区结合卡盘808相似的横截面轮廓。
[0054]因为每个卡盘区可以调整成与其它卡盘区处于突起的、降低的或者平面位置关系，所以多种对称的横截面轮廓是可能的。在其它实施例中，卡盘区1304至1314可以分成环形的段，以允许额外的卡盘面表面轮廓。在本发明的其它实施例中，卡盘区可以处于使卡盘面的平面倾斜(tile)的规则、不规则或者任意形状的布置，使得一个或多个卡盘区能够沿着可以与卡盘面的整体平面垂直的轴相对于另一个卡盘区精确突起或降低、相对于卡盘面的整体平面倾斜、或者这些运动的组合。在某些实施例中，卡盘区可以是圆形的，并且卡盘区的移动可以是卡盘面平面内的旋转运动。卡盘区的这种布置可以允许任何期望的卡盘面表面轮廓，以及卡盘面表面轮廓之间的精度运动，如在结合、平坦化或者其它芯片制造工艺期间可能需要的。
[0055]可调节多区结合卡盘1300，结合例如另一个这种卡盘、如上所述的可调节双区结合卡盘或者典型的扁平卡盘，也允许其中一致或不一致的压缩力可以施加到晶片对的结合工艺。对于每个卡盘区来说，也可以定义力随时间的曲线图。也可以进行晶片对的某些区域的递增结合。
[0056]与上述可调节双区结合卡盘808相似，可调节多区结合卡盘1300的优点也可以包括在先前可能需要不同卡盘的若干芯片制造工艺中利用该卡盘。这可以减少需要驻留在晶片结合工具中的卡盘的数量。
[0057]这里公开了要求保护的方法与结构的具体实施例。但是，应当理解，所公开的实施例仅仅是说明可以体现为各种形式的要求保护的结构与方法。此外，各种所公开实施例中每一种都是说明性的，而不是约束性的。另外，附图不一定是按比例的，并且为了示出特定组件的细节，有些特征可能夸大了。这里所公开的具体结构与功能性细节不应当解释为限定，而仅仅是用于向本领域技术人员讲述以各种方式采用本公开内容的方法与结构的代表性基础。在不背离本发明范围的情况下，可以进行多种修改与替换。因此，本发明是通过例子而不是限制公开的。
【权利要求】
1.一种晶片结合卡盘的卡盘面，包括: 扁平的中央区；以及 与中央区邻接的外部环形区，所述外部环形区比扁平的中央区低，使得安装到所述卡盘面的晶片的环形边缘部分相对于所述结合卡盘的卡盘面具有凸起的轮廓。
2.如权利要求1所述的结合卡盘，其中外部环形区的轮廓包括以下中的一个或多个:恒定半径的弧、可变半径的弧以及线性部分。
3.如权利要求2所述的结合卡盘，其中外部环形区的轮廓成形为足以，在所述结合卡盘和另一个结合卡盘在范德华结合工艺中用于在第一晶片的结合表面和另一个晶片的结合表面之间形成范德华结合时，破坏安装在所述结合卡盘中的所述第一晶片的结合表面与安装在所述另一个卡盘中的所述另一个晶片的结合表面之间的范德华结合波。
4.如权利要求1所述的结合卡盘，其中半径对应于所安装晶片的现有径向尺寸的外部环形区的轮廓比扁平的中央区低大约Inm和大约100微米之间。
5.一种晶片结合卡盘的卡盘面，包括: 扁平的中央区；以及 与中央区邻接的外部环形区，沿着与所述中央区垂直的轴移动。
6.如权利要求5所述的结合卡盘，其中外部环形区相对于中央区的运动可控制在大约0.1微米至大约I微米。
7.如权利要求5所述的结合卡盘，其中外部环形区相对于中央区的运动范围是大约0.1微米至大约100微米。
8.如权利要求5所述的结合卡盘，其中外部环形区具有包括以下一个或多个的横截面轮廓:恒定半径的弧、可变半径的弧以及线性部分。
9.一种晶片结合卡盘的卡盘面，包括: 多个邻接的区；以及 这些区中可相对于这些区中的另一个移动的至少一个区。
10.如权利要求9所述的结合卡盘，其中可移动的区的运动是以下中的一个或多个:沿着与所述另一个区的卡盘面垂直的轴；沿着不与所述另一个区的卡盘面垂直的轴；相对于所述另一个区的卡盘面的倾斜运动；相对于另一个区的卡盘面的旋转运动。
11.如权利要求9所述的结合卡盘，其中区之间的相对运动可控制在大约0.1微米至大约I微米。
12.如权利要求9所述的结合卡盘，其中区之间的相对运动范围是大约0.1微米至大约100微米。
13.如权利要求9所述的结合卡盘，其中区的横截面轮廓包括以下中的一个或多个:恒定半径的弧、可变半径的弧以及线性部分。
14.如权利要求9所述的结合卡盘，其中所述多个邻接的区包括以下中的一个或多个:规则形状的区、不规则形状的区以及任意形状的区。
15.如权利要求9所述的结合卡盘，其中所述多个邻接的区包括一个中央区和一个或多个邻接的环形区。
16.如权利要求15所述的结合卡盘，其中所述多个邻接的环形区中的一个或多个分段成环形弧段。
【文档编号】H01L21/687GK104051317SQ201410094056
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年3月14日 优先权日:2013年3月14日
【发明者】林玮, S·斯科尔达斯, T·A·沃 申请人:国际商业机器公司