[发明专利]用于半导体晶片调平、力平衡和接触感测的装置和方法

说明书

一种晶片结合器装置，包括下卡盘、上卡盘、处理室和三个调节机构。三个调节机构彼此间隔地布置在顶盖周围并且位于处理室外部。每个调节机构包括用于感测对上卡盘的接触的部件、用于调节上卡盘的预加载力的部件和用于调平上卡盘的部件。

相关共同未决申请的交叉引用

本申请要求于2013年7月17日提交并且名称为“APPARATUS AND METHOD FORSEMICONDUCTOR WAFER LEVELING,FORCE BALANCING AND CONTACT SENSING”的序列号为61/847,118的美国临时申请的权益，其内容通过引用明确地并入本文。

本申请是于2010年4月15日提交并且名称为“DEVICE FOR CENTERING WAFERS”的序列号为12/761,044的美国专利申请的部分继续申请，其内容通过引用明确地并入本文。

技术领域

本发明涉及用于半导体晶片结合的装置和方法，并且更特别地涉及提供卡盘调平、力平衡和衬底接触感测的晶片结合装置和方法。

背景技术

在用于形成半导体器件的宽范围的半导体工艺应用中利用晶片间(W2W)结合。其中应用了晶片间结合的半导体工艺应用的示例包括集成电路的衬底建造和制作、微机电系统(MEMS)的封装和包封以及纯微电子器件的许多经处理的层的堆叠(3D集成)。W2W结合涉及使两个或更多个晶片表面对准、使晶片表面发生接触以及在晶片表面之间形成强结合界面。这样生产的半导体器件的总处理产量和制造成本以及最终并入了这些器件的电子产品的成本大大地取决于晶片间结合的质量。W2W结合的质量取决于晶片的精确对准、跨晶片结合界面的晶片对准的保持、以及跨晶片结合界面的结合强度的均匀性和完整性。具体而言，晶片表面之间的调平、平面度、距离和张力对于结合质量而言至关重要。因此，期望在晶片接合器装置中提供对半导体晶片表面的相对于彼此的可靠的、高精确度和可重复的定位。

发明内容

本发明提供了一种用于半导体晶片结合的装置和方法，其包括卡盘调平、力平衡和衬底接触感测。

总体而言，在一个方面中，本发明特征在于一种晶片结合器装置，包括下卡盘、上卡盘、处理室和三个调节机构。下卡盘被配置为支撑第一晶片，上卡盘被配置为支撑第二晶片，并且第二晶片与第一晶片相对布置。处理室形成在上卡盘与下卡盘之间。三个调节机构彼此间隔地布置在顶盖周围并且位于处理室外部。每个调节机构包括用于感测对上卡盘的接触的部件、用于调节上卡盘的预加载力的部件和用于调平上卡盘的部件。

本发明的这一方面的实施方式包括以下项中的一项或多项。每个调节机构还包括穿通轴，穿通轴穿过顶盖并且具有刚性地附接至上卡盘的顶表面的远端部和突出通过顶盖的近端部。穿通轴包括具有小于2×10^-6K^-1的热膨胀系数(CTE)的材料。穿通轴包括殷钢材料。穿通轴经由热断点与上卡盘热隔离。

用于调平上卡盘的部件包括测微计、测微计轴、枢轴臂和支撑板。枢轴臂可枢转地连接至支撑板并且具有连接至测微计轴的远端部的第一端部和连接至穿通轴的第二端部。测微计具有1微米的分辨率并且附接至测微计轴的近端部。测微计的旋转运动引起测微计轴的线性运动，并且测微计轴的线性运动引起穿通轴的线性运动并且由此调节附接的上卡盘的水平。用于调平上卡盘的部件还包括测微计锁定夹，测微计锁定夹被配置为锁定测微计的位置。每个调节机构还包括用于测量上卡盘的预加载力的传感器。

用于感测对上卡盘的接触的部件包括接触传感器，并且接触传感器连接至穿通轴的近端部。接触上卡盘的底表面引起上卡盘以及附接的穿通轴移动并且接触传感器记录信号。用于感测对上卡盘的接触的部件包括接触引导件和预加载弹簧以及球面轴承界面，并且球面轴承界面被配置为接触止推垫圈，止推垫圈围绕穿通轴。