用于键合两个晶片的方法和装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种用于在两个晶片（2，3）的连接面V处键合所述两个晶片（2，3）的装置，其中设置具有压力面（D）的压力传输装置，所述压力面D用于以压力面（D）处的键合压力来加载晶片（2，3），其特征在于，所述压力面D比所述连接面V更小。此外，本发明涉及一种用于在两个晶片（2，3）的连接面（V）处键合所述两个晶片（2，3）的方法，其中通过具有用于对晶片（2，3）加载的压力面（D）的压力传输装置（1）相继在所述连接面（V）的子片段上施加键合力。
【专利说明】用于键合两个晶片的方法和装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种根据权利要求1所述的用于尤其永久地键合两个晶片、尤其结构晶片的装置并且涉及一种根据权利要求9所述的对应的方法。
【背景技术】
[0002]结构晶片的永久连接或键合例如通过扩散键合、共晶键合或玻璃熔块键合进行，其中铜-铜连接在最近几年对于一些应用目的是特别优选的。
[0003]对于该连接，需要高温和/或高压力用于稳定的、不可逆转的键合。
[0004]在结构晶片的面积变得越来越大并且直径变得越来越薄的情况下，产生对于键合方法越来越大的困难，因为芯片的产量应可能地大。另一方面存在成本有利地和爱惜地制造晶片之间的连接面或接触面处的永久键合的要求。
【发明内容】
[0005]因此，本发明的任务是，说明用于键合晶片的一种装置和一种方法，借助其能够实现键合、尤其是永久键合的爱惜的、有效的和成本有利的制造。
[0006]所述任务借助权利要求1和9的特征解决。本发明有利的改进方案在从属权利要求中说明。由说明书、权利要求和/或附图中说明的特征的至少两个的所有组合也属于本发明的范畴。在所说明的值范围中，位于所提到的边界内的值也应明显地被认为是边界值并且可被组合地保护。
[0007]本发明的基本思想在于，设置压力传输装置，借助所述压力传输装置相继在两个晶片之间的连接面的子片段上施加键合力。换言之，用于以键合压力加载晶片的压力面比两个晶片的连接面更小、尤其明显更小。因此，根据本发明可能的是，降低在确定的时间整体上待施加的压力(Druckkraft)，由此一方面爱惜所述材料，并且另一方面可显著更成本有利地制造所述装置。
[0008]尤其在晶片与压力面直接接触的情况下，本发明如此作用，使得针对用于连接两个晶片的压力加载的构造耗费明显下降。这尤其适用于本发明在从200_直径起、更优选为至少400_直径的晶片大小的情况下的使用。
[0009]因此，根据本发明规定，使压力面相对于晶片的连接面系统地和均匀地、即与连接面平行地运动并且以压力均匀地加载连接面。尤其作用于连接面的力的和沿着表面均匀地分布。换言之:在晶片的连接面的压力加载期间作用于每个点的合力基本上相同、尤其具有小于20%的偏差、优选具有小于10%的偏差。
[0010]根据本发明的有利的实施方式规定，压力面小于连接面的80%，尤其小于60%，优选小于40%。
[0011]只要压力面可至少部分地、尤其完全地沿着晶片之一的与连接面背离的加载面运动，就可以构造简单地解决本发明的实施。在此有利的是，压力面加载两个晶片中的仅仅一个并且另一个晶片整面地借助其与连接面背离的承载面固定在容纳体、尤其是夹头上。[0012]此外，根据本发明有利的是，键合压力可被施加在连接面的与压力面对应的子片段上。这尤其当压力面与晶片直接接触并且不设置位于它们之间的元件或压力板或压力分配器时是有利的。通过这种方式可以直接施加压力并且均匀地沿着连接面加载该压力。
[0013]通过可至少部分地、尤其完全地以超声波加载压力面，除施加在压力面上的压力以外，还可以在连接面处施加振动能量。这在沿着连接面、即在晶片的待连接的表面处存在氧化层时特别有利。特别是结合根据本发明相对较小的压力面，简化了超声波振动的引入，因为在涉及较小的压力面相应较小的力的情况下，尤其在构造上可简单地施加超声波振动。根据本发明的装置的构造因此更加成本有利并且由此才能够实现连接面的均匀的和爱惜的压力加载和/或连接面的振动加载。
[0014]根据本发明的另一个有利的实施方式规定，压力面可与加载面平行地、尤其是线性地或旋转地运动。压力面和加载面之间的相对运动是决定性的，从而或者通过相应的驱动装置使压力传输装置运动或者使晶片的容纳体运动，或者相应更耗费地不仅使用于压力传输装置的驱动装置而且使容纳体运动。
[0015]只要压力面是楔形的，就在待圆形加载的晶片的情况下沿着连接面产生均匀的力分布，尤其在旋转加载的情况下。
[0016]只要压力面是带状的，尤其是具有平行的长边，就尤其在晶片面为正方形或矩形的情况下，在相同的力耗费的情况下产生均匀的压力分布。否则，必须通过相应的控制将力分布与分别与压力面接触的加载面匹配。
[0017]上面描述的装置特征或方法特征适用于根据本发明描述的方法，反之亦然。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]本发明的其他优点、特征和细节从优选的实施例的以下描述中以及根据附图得出。示出:
图1a以侧视图示出第一实施方式中的第一方法步骤中根据本发明的装置的横截面视
图，
图1b以侧视图示出第二方法步骤中根据图1a的实施方式，
图1c以俯视图示出第三方法步骤中根据图1a和Ib的实施方式，
图2示出根据本发明的第二实施方式的俯视图，
图3示出根据本发明的第三实施方式的俯视图，
图4a示出本发明的第四实施方式的俯视图，
图4b示出根据图4a的实施方式的侧视图。
[0019]在附图中，相同的或相同作用的特征被以相同的参考标记表示。
【具体实施方式】
[0020]图1中高度示意性地示出根据本发明的装置，即用作样品夹具的容纳体4，所述容纳体尤其作为夹头配备有未示出的真空轨道用于固定结构晶片3。
[0021]结构晶片3借助其容纳体面3ο整面地放置在容纳体4上并且必要时固定在那里。
[0022]在此，容纳体4位于尤其可以真空加载的键合室中，所述键合室假设已知并且因此不详细示出。[0023]第一结构晶片3至少在其与容纳体面3ο背离的侧上具有结构5，尤其具有电子部件。
[0024]在第一结构晶片3上或在位于结构晶片3上的结构5上，第二结构晶片2(必要时连同对应的结构5’)被放置在第一结构晶片3上或与其接触。在前面的步骤中，结构晶片2、3彼此对准，为此设置相应的对准工具(未示出)。
[0025]通过接触，在两个结构晶片2、3之间(更确切地说，在结构晶片2、3的结构5、5’之间)形成连接面V，在所述连接面处两个结构晶片2、3彼此连接或在所述连接面处键合力应在两个晶片2、3的连接之后在根据本发明的方法结束时占优势。连接面V在通常情形下比结构晶片2、3在结构5、5’那侧上的相应表面略小，因为结构5、5’被尽可能接近地(整面地)施加于结构晶片2、3的相应表面上，以便提高产量。就此而言，附图中的图示高度简单化并且结构5、5’之间的间隔在现实中显著更小。
[0026]在键合室中，不仅能以温度加载结构晶片2、3，而且附加地能以压力加载结构晶片2、3，其方式是，压力板I作为压力传输装置的组成部分被下降到图1b中所示的位置，其中朝向容纳体4或结构晶片2、3的压力面D被下降到第二结构晶片2的加载面2ο上。压力面D与加载面2ο平行地对准。
[0027]图1c中，在俯视图中可看出，以压力板I可同时加载加载面2ο的仅仅一个子片段，因为压力板I的压力面D比加载面2ο明显更小。通过相应的未示出的驱动装置，压力板I 一方面可在与连接面或加载面正交的Z方向上运动。在图1c中可以看出，附加地通过相应的X-Y驱动装置可实施与加载面2ο或与容纳体4的承载面平行的、即在X-Y平面中的运动。
[0028]在图1c中所示的实施方式的情况下，压力板I旋转，其中加载面2ο由压力面D以由控制装置控制的压力加载。该压力可通过力测量装置测量。
[0029]压力板I或压力面D通过两个径向延伸的侧7、8和弯曲的侧6来限制。弯曲的侧6尤其与侧7、8的交点9同心。交点9同时构成压力板I的顶点，所述顶点可对准结构晶片
2、3的中心。同时，侧6与结构晶片2、3同心地构造和可同心设置并且可实施压力板I的与结构晶片2、3同心地延伸的旋转。因此，通过压力板I可均匀地以压力加载加载面20，其中如此控制压力面I的压力加载和旋转运动，使得在连接面V处在连接面V的每个点上最后基本上作用了相同的力。因此，实现了沿着连接面的均匀的键合。
[0030]通过相对较小的压力板I或压力面D使得可能的是，除压力以外还在连接面V处引入声波，尤其通过压力板I的加载。优选使用具有以下功能的超声波:打破可能的氧化层并且加速或有利于表面粗糙部、即凸起和凹部的接近。结合温度加载，沿着在相对置的结构
5、5’的连接面V处的粗糙部还发生塑性变形，尤其通过借助声波引发的剪切应力。
[0031]通过压力板I的旋转，在加载面2ο的位于压力板I下方的子片段中和由此在连接面V的位于压力板I下方的子片段中分别作用一个压力，尤其结合设置在压力板I处的声波辐射器(未示出)的声波。连接面V中的压力通过旋转持续地分布在整个连接面V上。
[0032]在图2中示出的实施方式中，除压力板I以外还设置加载没有由压力板I加载的加载面2ο的第二压力板15。第二压力板15与压力板I尤其等距离地隔开，并且尤其可通过自身的驱动装置，优选与压力板I无关地，尤其与压力板I同步地旋转。因此，根据本发明，在压力板I的区域中能够实现压力加载以及同时的声波加载，并且在第二压力板15的区域中能够实现(尤其具有与压力板I的情况下相同的压力的)压力加载，其中优选不以声波加载第二压力板15。
[0033]结构晶片2、3彼此的相对移动得以避免，其方式是，在压力传输装置在X-Y平面中运动之前发生足够强的预键合。这例如可以通过在确定的时间间隔期间的压力加载和/或在确定的时间间隔期间的温度加载和/或通过结构晶片2、3尤其在结构晶片2、3的圆周区域中相对于彼此的固定进行。
[0034]因此，通过图2中示出的实施方式，能够实现以均匀的压力对加载面2ο的几乎整面的加载，其中在压力板I的区域中可以附加地引入振动。
[0035]在图3中所示的实施方式中，通过沿着线性方向L的线性运动进行压力加载，其中压力板I’设有带状的压力面D。压力面D具有两个平行的长边10和两个连接所述平行的长边10的侧11。可如此设置压力板I’，使得长边10与线性方向11正交地对准。
[0036]第二结构晶片2的加载面2ο通过线性运动和同时的压力加载(和尤其是以声波的附加加载)被持续地键合，其中另外关于图1的实施类似于图1a至Ic地成立。
[0037]图4a和4b中示出的实施方式近似示出根据图la、lb、lc、2和3的三种实施方式的组合。
[0038]图4a和4b示出工具30作为压力传输装置的组成部分，所述工具由圆锥形地通向压力面D的压力元件17、对压力元件17加载的杆22和支撑梁18组成。
[0039]工具30尤其可以在z方向上振动或振荡。压力面D在纵向A上至少如待加载的第二结构晶片2的直径那么长，尤其至少300_ (长)。与此相反，与纵向A垂直地，即在横向方向Q上，压力元件17的压力面D非常薄，尤其小于10mm，优选小于5mm，更优选地小于Imm (宽)。与根据图3的实施方式类似，压力面的分别相对置的侧平行延伸。宽度和长度之间的比例小于1/30，尤其小于1/50，更优选地小于1/100。
[0040]压力元件17可围绕杆22尤其来回旋转，其中未示出旋转驱动装置。该旋转围绕转动点9进行，尤其与结构晶片2或容纳体4同心地进行，假定结构晶片2、3相应对准。
[0041]冲头21a和21b通过静态的压力固定晶片2和3，由此在压力元件17的旋转期间防止晶片2、3彼此的移动。
[0042]压力元件17接触晶片2的表面20。优选振动的和或振荡的运动与静态压力叠加。随后，压力元件17开始围绕转动点9转动。冲头21a和21b在此将该旋转的角度范围限制在90°，其中可以多次重复在所述角度范围内的旋转。在90°转动运动期间，两个晶片的面的约50%彼此键合。随后，从加载面2ο取下冲头2Ia和21b，以便减轻加载面的负担。接着将两个冲头21a和21b围绕转动点9转动90°。冲头21a和21b随后又被按压在第二晶片2的加载面2ο上并且固定第二晶片。最后，工具继续围绕转动点9进行通过静态压力和/或振动和/或振荡置加的90°的转动运动，以便使晶片表面的剩余的50%彼此键合。可以多次重复这个过程。
[0043]压力面1、1’可以借助图案被结构化。优选地，所述图案是规则的。
[0044]参考标记列表
1，1’压力板
2，2’第二结构晶片
2ο，2ο’加载面3第一结构晶片3ο容纳体侧
4容纳体5，5’结构
6侧
7侧
8侧
9交点
10长边
11侧
15第二压力板
V连接面
D压力面
L线性方向
【权利要求】
1.用于在两个晶片(2，3)的连接面V处键合所述两个晶片(2，3)的装置，其中设置具有压力面D的压力传输装置，所述压力面D用于以所述压力面D处的键合压力来加载晶片(2，3)，其特征在于，所述压力面D比所述连接面V更小。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述压力面D小于所述连接面V的80%，尤其小于60%，优选小于40%。
3.根据以上权利要求中任一项所述的装置，其中所述压力面D能够至少部分地、尤其完全地沿着晶片(2，3)之一的与所述连接面V背离的加载面(2o，2o’)运动。
4.根据以上权利要求中任一项所述的装置，其中所述键合压力能被施加在所述连接面V的与所述压力面D对应的子片段上。
5.根据以上权利要求中任一项所述的装置，其中能够至少部分地、尤其完全地以超声波加载所述压力面。
6.根据以上权利要求中任一项所述的装置，其中所述压力面D能与所述加载面(20，20’)平行地、尤其是线性地或旋转地运动。
7.根据以上权利要求中任一项所述的装置，其中所述压力面D被构造为楔形的。
8.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其中所述压力面D是带状的，尤其具有平行的长边(10)。
9.用于在两个晶片(2，3)的连接面V处键合所述两个晶片(2，3)的方法，其中通过具有用于对晶片(2，3)加载的压力面D的压力传输装置(I)相继在所述连接面V的子片段上施加键合力。
【文档编号】H01L21/762GK103582940SQ201280015662
【公开日】2014年2月12日 申请日期:2012年3月30日 优先权日:2011年5月11日
【发明者】埃里希·塔尔纳 申请人:埃里希·塔尔纳