一种用于倒装金属键合中的平行度可调芯片吸头装置的制作方法

本实用新型涉及芯片制作、封装技术领域，尤其涉及一种用于倒装金属键合中的平行度可调芯片吸头装置。

背景技术：

硅基半导体是现代微电子产业的基石，但其发展已接近极限，尤其在互连方面；而光电子技术则正处在高速发展阶段，现在的半导体发光器件多利用化合物材料制备，与硅微电子工艺不兼容；因此，将光子技术和微电子技术集合起来，发展硅基光电子科学和技术意义重大；

随着通信技术和微电子工艺技术的发展，人们对于计算机的运算速度以及器件的尺寸要求越来越高；然而，以电互连为基础的集成电路的互连延迟效应与能耗问题限制了传统微电子技术的进一步发展，与传统的电互连技术相比，以光波作为信息载体的光互连技术，具有信号无干扰、响应速度快、低功耗、大带宽等优点；因此，人们希望借助于成熟的CMOS工艺（指互补金属氧化物共同构成的互补型集成电路制造工艺），以光子作为信息载体，在硅基平台上实现光电子器件的混合集成；

近年来随着硅基光子学的深入发展，人们已经在SOI平台上成功实现了诸如光开关，光波导等无源器件的集成，然而，核心器件Si上激光器的研究却进展缓慢，主要因为Si是间接带隙半导体，发光效率较低，硅基混合激光器是光子芯片中的核心器件，在片上光互连、光交换中都有极其重要的作用，目前倒装芯片金属键合技术是比较实用及成熟的方法，键合技术将III-V族材料与Si异质集成，实现III-V族光源从Si波导输出；

III-V（如GaAs,InP等）族材料和硅的混合集成是一种目前被认为最有应用前景的适于高密度集成的光子或光电子芯片技术，通常采取带有波导结构的SOI材料（Si/SiO2/Si衬底）与III-V外延材料通过有机材料或键合方法粘合，去掉III-V衬底，然后再进行光子或光电子器件、光路的加工，光波是通过倏逝场耦合进入下层的SOI波导的，电注入采用共面电极在III-V材料层完成；这其中键合技术非常重要，对于通过晶片键合形成的面上光源有几个问题：一是大多数CMOS工厂不允许加工III-V族材料，怕引入污染；二是把材料键合上去再做激光器，成品率是比较低的；三是III-V族晶片直径比较小而硅基材料直径比较大，进行晶片键合再做工艺，浪费严重；

为解决此问题，比较可行的方法是先将III-V族激光器管芯或阵列通过常规半导体工艺做出来，筛选好，然后通过各种耦合方法集成上去，但要获得高耦合效率非常困难，难度体现在有源与无源波导器件的耦合上；通常的耦合波导为楔形和反楔形波导结构，要求激光器单元与波导中心横向对准精度在亚微米乃至深亚微米精度，常用的方法为倒装焊，倒装焊设备通过吸头吸住晶片，然后通过复杂的成像及对准找到目标位置，实现键合，键合中施力均匀性，平行性至关重要，而且还要保证足够强度以及一定的生产效率；通常要求吸头端面与目标片平面绝对平行，否则会出现粘接不牢固，耦合效率低的问题，在小面积尺寸吸头上尤其突出；

鉴于此，为克服上述缺陷，提供一种用于倒装金属键合中的平行度可调芯片吸头装置成为本领域亟待解决的问题。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种用于倒装金属键合中的平行度可调芯片吸头装置，可实现中心吸头的平行度微调，达到牢固金属键合及精密对准的目的。

为解决以上技术问题，本实用新型的技术方案为：一种用于倒装金属键合中的平行度可调芯片吸头装置，其不同之处在于：其包括中心吸头，所述中心吸头为中间通孔的中空柱体，其包括直段和位于直段一端的尖端；通孔延伸至尖端端末形成吸孔；调整外套，所述调整外套为套设于中心吸头外围的中空柱体，所述调整外套分为靠近中心吸头尖端的调节段和连接于调节段且远离中心吸头尖端的固定段；所述调节段内壁与中心吸头外壁之间设有间隙；多个平行度调整件，多个所述平行度调整件水平穿设于调节段侧壁且均匀分布，所述平行度调整件可内外移动，其内侧一端与中心吸头外壁接触。

按以上方案，所述中心吸头尖端为四棱楔形端，其端末为矩形端面；吸孔位于所述矩形端面中间。

按以上方案，所述矩形端面覆盖镜面级光滑导热材料。

按以上方案，所述中心吸头直段和调整外套均为中空圆柱体；所述调整外套的固定段外径和调节段外径相等，固定段内径与中心吸头直段外径相当，调节段内径大于中心吸头直段外径。

按以上方案，所述中心吸头直段长度为30-60mm，尖端长度为3-6mm；直段外径为2.5-5.0mm，端末的矩形端面边长为0.5-2mm，吸孔直径为0.2-0.6mm；所述调整外套的固定段长度为10-20mm，调节段长度为15-30mm；固定段外径和调节段外径为8-15mm，调节段内径为6-9mm。

按以上方案，所述平行度调整件为带有螺纹的调整螺栓。

按以上方案，所述调节段侧壁横向设有多个用于调整螺栓穿过的螺纹孔。

按以上方案，所述螺纹孔的数量为4个，呈90度间隔分布。

按以上方案，所述调整螺栓上的螺纹间距小于等于0.5mm。

按以上方案，中心吸头和调整外套的材质均为耐高温金属材质。

由上述方案，本实用新型适用于高对准精度要求的混合光子集成，适合小尺寸管芯的高平行度定位；其通过调整外套及调整螺栓的使用实现中心吸头的平行度微调，达到牢固金属键合及精密对准的目的；本实用新型结构简单，调节灵活，施力均匀，实用性强，大幅度提高了光子集成芯片的生产效率。

附图说明

图1为本实用新型实施例整体结构示意图；

图2为本实用新型实施例中心吸头尖端的结构示意图；

其中：1-中心吸头（101-直段、102-尖端、103-吸孔、104-矩形端面）、2-调整外套（201-调节段、202-固定段）、3-调整螺栓。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

在下文中，将参考附图来更好地理解本实用新型的许多方面。附图中的部件未必按照比例绘制。替代地，重点在于清楚地说明本实用新型的部件。此外，在附图中的若干视图中，相同的附图标记指示相对应零件。

如本文所用的词语“示例性”或“说明性”表示用作示例、例子或说明。在本文中描述为“示例性”或“说明性”的任何实施方式未必理解为相对于其它实施方式是优选的或有利的。下文所描述的所有实施方式是示例性实施方式，提供这些示例性实施方式是为了使得本领域技术人员做出和使用本公开的实施例并且预期并不限制本公开的范围，本公开的范围由权利要求限定。在其它实施方式中，详细地描述了熟知的特征和方法以便不混淆本实用新型。出于本文描述的目的，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”和其衍生词将与如图1定向的实用新型有关。而且，并无意图受到前文的技术领域、背景技术、

技术实现要素：
或下文的详细描述中给出的任何明示或暗示的理论限制。还应了解在附图中示出和在下文的说明书中描述的具体装置和过程是在所附权利要求中限定的实用新型构思的简单示例性实施例。因此，与本文所公开的实施例相关的具体尺寸和其他物理特征不应被理解为限制性的，除非权利要求书另作明确地陈述。

请参考图1和图2，本实用新型为一种用于倒装金属键合中的平行度可调芯片吸头装置，其包括：一个中心吸头1、一个调整外套2和多个平行度调整件；所述中心吸头1为中间通孔的中空柱体，其包括直段101和位于直段101一端的尖端102；通孔延伸至尖端102端末形成吸孔103；所述调整外套2为套设于中心吸头1外围的中空柱体，所述调整外套2分为靠近中心吸头1尖端102的调节段201和连接于调节段201且远离中心吸头1尖端102的固定段202；所述调节段201内壁与中心吸头1外壁之间设有间隙；多个所述平行度调整件水平穿设于调节段201侧壁且均匀分布，所述平行度调整件可内外移动，其内侧一端与中心吸头1外壁接触。

中心吸头1中间的通孔为圆形；中心吸头1直段101为中空圆柱体，中心吸头1尖端102被磨成为四棱楔形端，图2示出了中心吸头1尖端102的结构，其端末呈矩形，为矩形端面104结构，吸孔103位于所述矩形端面104中间；矩形端面104覆盖镜面级光滑导热材料。

调整外套2整体为中空圆柱体，调整外套2的固定段202外径和调节段201外径相等；固定段202内径即固定段202部分通孔直径较细，与中心吸头1直段101外径相当，可实现紧密插接套合，起到固定作用；调节段201内径即调节段201部分通孔直径较粗，大于中心吸头1直段101外径，该部分内侧与中心吸头1直段101外壁有一定的空隙，用于调节。

本实用新型实施例中的平行度调整件为带有精细螺纹的调整螺栓3；调整外套2的调节段201侧壁横向设有多个与调整螺栓3相配合的用于调整螺栓3穿过的螺纹孔，螺纹孔为圆孔，内有精细螺纹；螺纹孔和与螺纹孔配套的调整螺栓3的数量均为4个，呈90度间隔分布。

优选的，中心吸头1的材料为刚性较强不锈钢或其他耐高温金属材质；中心吸头1直段101长度为30-60mm，尖端102长度为3-6mm；直段101外径为2.5-5.0mm，端末的矩形端面104边长为0.5-2mm，吸孔103直径为0.2-0.6mm；实施例之一为：中心吸头1的材料为刚性较强不锈钢；中心吸头1直段101长度为30mm，尖端102长度为3mm；直段101外径为2.5mm，端末的矩形端面104边长为0.5mm，吸孔103直径为0.2mm。

优选的，调整外套2的材料为不锈钢；调整外套2的固定段202长度为10-20mm，调节段201长度为15-30mm；固定段202外径和调节段201外径即整体外径为8-15mm，调节段201内径为6-9mm；实施例之一为：调整外套2材料为不锈钢；调整外套2的固定段202长度为10mm，调节段201长度为15mm；固定段202外径和调节段201外径即整体外径为8mm，调节段201内径为6mm。

优选的，调整螺栓3上的螺纹间距为0.5mm或更小；实施例之一为：调整螺栓3上的螺纹间距为0.5mm。

倒装金属键合，就是利用专用倒装焊设备，将一移动端目标芯片吸附在该设备吸头上（吸头根据用户需求大小不同定制，对于小端面吸头，如面积小于1mm²，没有自动找平功能），同时还有一固定端目标片，其中一端上有粘结焊料；两端通过三维平移及转动实现对准，然后加热或超声实现键合；基于本实用新型实施例的键合具体调整过程如下：

1）首先准备好移动端芯片，然后再准备一表面镀铟的高平行度硅片作为固定端平面；

2）将本实用新型实施例吸头装置通过标准接口固定到倒装焊机上；

3）操作机器，调整固定平面位置；

4）发指令，使带有芯片吸头落在表面镀铟的固定平面上；

5）在固定压力下，移动端芯片会在铟表面留下痕迹；

6）该痕迹边缘深浅如果不一致，代表目标片之间不平行；

7）此时调整吸头装置上的四个调整螺栓3改变移动端偏转方向；

8）再次操作机器，看受压后铟面痕迹，直到四周痕迹深浅一致；

9）将固定端铟片换下，换上目标片，即可实现高行度倒装焊耦合。

本实用新型实施例中，通过调整其特有的四个精密调整螺栓3，实现中心吸头1微偏，从而实现吸头端面与目标平面平行度改变，解决了平行度调整问题，达到牢固金属键合及精密对准的目的。

本实用新型的优点为：

1）本实用新型在光子光电子器件、芯片制作、封装技术领域用于混合硅基光子、光电子有源无源器件或芯片的制作，适于光子光电子集成应用；适用于高对准精度要求的混合光子集成，适合小尺寸管芯的高平行度定位；

2）本实用新型的中心吸头1和调整外套2均为耐高温金属材质，可承受高温环境，预计800摄氏度以上，且可承受高压，完全可以胜任其他的高温高压键合需要；

3）本实用新型结构简单，减少了大量机械装置，易于加工，价格便宜，可实现大范围高精度的平行度调整；

4）本实用新型调整过程中，不破坏吸头端面，可根据目标芯片自身平行度随时调节，方便实用，而且可实现非均匀施压，实用性强，大幅度提高了光子集成芯片的生产效率。

以上内容是结合具体的实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本实用新型的保护范围。