一种用于将半导体芯片粘合到着陆晶片的方法与流程

本发明涉及将集成电路芯片组装到晶片上。晶片也被称为衬底晶片、着陆晶片、载体晶片或底部晶片。在本说明书中将主要使用术语“着陆晶片”。

背景技术：

通过将芯片粘合到着陆晶片或者粘合到先前被粘合到该晶片的管芯或管芯堆叠的半导体芯片(以下也被称为管芯或集成电路)的3d集成被称为“管芯到晶片(d2w)”粘合或堆叠。该技术涉及将各个体芯片准确地定位在着陆晶片的预定义的位置上，随后通过集体粘合办法将芯片粘合到晶片。芯片的准确对准可通过借助对准液的使用的芯片对于着陆晶片位置的自对准来被促成。水通常被用于此目的，因为它在室温下具有高表面张力(72mn/m)和低粘度(在20℃为1cp)。具有类似属性的任何其他液体也可被用作对准液。在现时的方法中，自对准通过以下来实现：通过在晶片和芯片上产生可由对准液润湿或通过适当的处理(优选等离子体处理)使其可润湿的粘合表面，并且通过在着陆晶片的包含液体的粘合位置(例如在粘合位置周围的非可润湿边界)上分配液体的液滴。各个体芯片被粗略地对准并被放置在液体上，而不将液体挤出着陆晶片上的粘合位置。由于液体体积，这在芯片和着陆晶片的粘合表面之间创建了间隙。在放置之后，芯片将由于归因于液体-空气界面上的应力所生成的毛细作用力而自对准在粘合位置上。在芯片放置之后，水滴蒸发，从而导致晶片上的经良好对准的粘合的芯片。

为了使该过程按具有时效的方式工作，上述过程涉及在晶片上沉积大量液滴，随后将芯片顺序地拾取并放置在晶片上。然而，这保留了在液滴分配和芯片放置的时刻之间的液滴的不希望的蒸发的风险。在此期间，已被分配在晶片上的液滴被暴露于环境中，并且液滴体积的一部分蒸发。蒸发将导致跨着陆晶片上的不同粘合位置的用于芯片对准的液体体积的变化。液体体积的这种变化可导致芯片对准准确度方面的大的偏差，由此影响整个过程。因此，良好的液体体积控制对于获得芯片相对于粘合位置的对准准确度方面的低标准偏差而言是至关重要的。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种用于将芯片自对准并粘合到着陆晶片上的粘合位置的方法，其中上述不希望的蒸发的问题被克服。本发明涉及一种如在所附权利要求中公开的方法。根据本发明的方法，一定体积的对准液被分配在芯片的可润湿表面上以便因对表面的液体亲和力而变得附着到所述表面，此后芯片被朝向晶片的粘合位置移动，所述粘合位置同样设置有可润湿表面。液桥在放置期间被形成在芯片和晶片上的粘合位置之间，从而使芯片能够自对准。

在芯片而不是晶片上分配对准液是有利的，因为其允许在自对准过程期间对准液的更好的体积控制，这对于在芯片的放置之前减轻液体的不希望的蒸发而言是有益的。另外，分配和放置过程的整合减少了整体处理时间，因为其消除了对准时间(在芯片的放置之前液滴分配工具对准到粘合位置所花费的时间)。

本发明因此涉及一种用于将一个或多个单独的半导体芯片粘合到着陆晶片的方法，这些芯片包括可至少部分地由对准液润湿的芯片粘合表面，晶片包括分别被配置成容纳一个或多个芯片的一个或多个粘合位置，所述粘合位置具有可至少部分地由所述对准液润湿的粘合表面，该方法包括以下步骤：

·一定体积的对准液被分配在芯片的粘合表面上，液体体积跨芯片粘合表面或其可润湿部分蔓延，同时被包含于所述粘合表面，

·此后，芯片按以下方式被定位在着陆晶片的粘合位置的粘合表面上方：对准液跨两个可润湿粘合表面或其可润湿部分蔓延，同时被包含于所述表面，使得液体建立芯片对于粘合位置的自对准。芯片被定位在粘合位置上方且不与粘合位置物理接触，使得液桥形成在各粘合表面或其可润湿部分之间，

·如果适用的话，则针对附加的芯片重复前述各步骤，

·一个或多个芯片被粘合到相应的粘合位置。

一方面在芯片上的各粘合表面的可润湿部分以及另一方面在粘合位置上的各粘合表面的可润湿部分彼此互补。这意味着这些可润湿部分(要么在粘合表面作为整体可润湿的情况下为完整的粘合表面，要么为粘合表面的可润湿部分)具有基本相同的形状。互补的可润湿部分的大小可以是相同的，或者它们可以在仍允许自对准的程度内不同。

根据一实施例，粘合表面是一个或多个芯片上及一个或多个粘合位置上的粘合层的表面。所述粘合层可以是适合于应用直接粘合或混合粘合技术的层。

根据优选实施例，该方法包括以下步骤：

·用芯片握持器拾取芯片，其中芯片粘合表面被定向成远离握持器，

·通过液滴分配装置的孔口供应对准液，使得一定体积的液体通过液体的表面张力而变得附着到孔口，至少部分体积从孔口向外延伸，

·移动芯片使得芯片粘合表面靠近该体积的对准液，直到所述液体跨所述芯片粘合表面或其可润湿部分蔓延，同时被包含于所述表面，

·将芯片从孔口移开或反之亦然，使得所述体积的对准液的至少一部分保持附着到芯片粘合表面或者附着到所述可润湿部分，将芯片朝向粘合位置上方的位置移动(即，不与粘合位置物理接触)，使得液体跨粘合位置的粘合表面或其可润湿部分蔓延，同时被包含于两个粘合表面。此时，液体在各粘合表面或其可润湿部分之间形成液桥，

·将芯片从握持器释放，由此建立芯片对于粘合位置的自对准，

·可能的话，对一个或多个附加的芯片重复先前的各步骤，

·将一个或多个芯片粘合到着陆晶片。

液滴分配装置可包括供应对准液的管道，其中孔口是管道在外端处的开口。

根据一实施例，管道被支承在垂直位置上，并且该体积的对准液附着在管道的顶部。

根据一实施例，附着到孔口的液体的体积针对一个或多个芯片中的每个芯片被计算为v1和v2的总和，其中：

·v1＝芯片粘合表面和晶片粘合表面之间的为了使芯片在晶片粘合表面上方的给定高度(h)处被自对准所要求的液体体积，

·v2＝在对准液首先附着到芯片的时刻以及芯片从握持器被释放的时刻之间所预期要蒸发的液体量。

根据一实施例，附着在管道末端的体积与被分配在芯片上的体积之间的差异被计算出并且在v1的计算中被纳入考虑。

根据一实施例，所述粘合位置位于芯片的上表面上，所述上表面先前已被粘合到着陆晶片的表面或者其他先前经粘合的芯片。

附图简述

图1a到1h例示了根据优选实施例的本发明的方法。

具体实施方式

在下面的详细描述中，当被施加到表面的一定体积的液体在整个表面上很容易蔓延时，称该表面由对准液“可润湿”。液体可以是水或任何其他合适的对准液。可由水润湿的表面被认为是亲水的。

根据本发明的方法，芯片及晶片上的粘合位置的粘合表面可至少部分地由给定的对准液润湿，可能通过等离子体处理而使其(更)可润湿，如现有技术那样。然而，与现有技术方法相反，本发明的方法包括在将芯片放置于晶片上之前将对准液的液滴分配在芯片的粘合表面上的步骤。图1a到1h例示了根据优选实施例的方法的步骤。提供了具有多个粘合位置2的着陆晶片1(图1a)。这些位置包括粘合层3，该粘合层具有可由对准液润湿的上表面。芯片4由可移动的芯片握持器5拾起。芯片同样设置有具有同样可由相同的对准液润湿的表面的粘合层6。粘合层3和6可以是适合于直接电介质到电介质粘合的介电层，例如，sicn层或sio2层。然而，该方法适用于任何已知的粘合技术，诸如混合粘合，其中介电粘合层与被嵌入在粘合层中的金属区域一起被使用，使得粘合表面包括介电及金属区域。在后一情况中，其中金属区域与介电区域相比较小，可能仅粘合表面的介电区域可由对准液润湿。这是因此其中粘合表面为部分可润湿的情况。然而，要求粘合表面的足够大的部分是可润湿的，以使两个粘合表面的对准成为可能。

在图1的非限制性示例中，粘合表面的整体是可润湿的。芯片4和晶片1上的层3和6的粘合表面因此可由对准液润湿。同时，芯片4和晶片1被配置成防止被分配在这些表面上的对准液在这些表面外流动。液体以本领域已知的任何方式被包含在粘合表面上。这可通过在晶片1的粘合位置2上创建可润湿性反差来被完成。这可通过在粘合表面周围使用不可润湿的材料来被获得，例如，围绕sicn或sio2层(低水接触角)的聚合物(高水接触角)。另一种方式是通过使用(通过产生从晶片表面向外突出的粘合位置2)边缘钉扎的效果或者通过使用台阶效果：位于晶片表面内部的粘合位置2。边缘钉扎优选地为用于将对准液局限于芯片所施加的效果。一方面芯片4的粘合表面以及另一方面粘合位置2中的每一个粘合位置是互补的，即它们是同等成形的。

芯片握持器5可以是本领域已知的用于拾取及放置操作的任何工具。在从临时载体或带条(未示出)拾起芯片4之后，芯片握持器5将芯片朝向液滴分配装置10(图1b)移动，并且芯片粘合表面被定向成远离握持器5。分配装置10可包括中空管道11，其能够允许对准液行进通过管道并将该液体的液滴12保持在管道的外端处，液滴12至少部分地从管道向外延伸。液滴12通过液体体积的表面张力而被保持在管道的外端上。优选地，管道11被垂直地朝上支承，同时液滴12被保持在管道的顶部。芯片握持器5接着被操纵，使得芯片从上方靠近液滴12，如图1b所例示。一旦液滴接触芯片的粘合表面，则润湿性就会促使液滴跨芯片的粘合表面蔓延(图1c)。芯片握持器5接着从分配器10移开，或反之亦然，使得液滴12'通过表面张力效应而保持附着到面朝下的芯片粘合表面(图1d)。在将液体实际分配到芯片粘合表面之前，液滴12'的体积至少等于附着到管道11的液滴12的体积。

适合于在本发明的方法中使用的液滴分配器10可以是本领域已知的用于从上方将液滴分配到水平晶片表面上的任何装置。分配器不一定需要配备有管道11。其他分配器类型在本领域中是已知的。所需要的是一种设置有孔口(例如管道11的外端)的设备，该孔口被配置成以受控制的方式来供应和保持液滴且液滴的至少一部分远离孔口延伸。优选地，孔口的材料与其上将分配液体的可润湿材料相比具有低的表面能。例如，当水被用作对准液时，孔口优选地为疏水性的。与被用于从上方在水平表面上分配给定大小的液滴的孔口/管道相比，在使用管道的情况下应用较高直径的孔口和/或较高壁厚的管道11可能是必需的或优选的。这些措施可能是必需的或有益的，以确保液滴能够被孔口保持。

可通过本发明的方法组装的芯片的粘合表面的特性尺寸可从约50μm到几毫米之间变化。孔口/管道11的尺寸根据芯片尺寸来被选择，例如从用于较大芯片的更宽的管道，小到用于微芯片的中空针管。

芯片4以及附着在其粘合表面上的蔓延的液滴12'接着由可移动握持器5朝着晶片上的粘合位置2运送(图1e)。在与所述粘合位置粗略对准之后，芯片4被降低到粘合位置上方的位置处，在该位置处液滴12'与粘合位置2上的粘合层3的可润湿表面接触，但是在芯片4的粘合表面和粘合位置2之间没有物理接触。在该时刻，液滴12'跨粘合位置2的表面蔓延，并且现在形成均匀地附着到两个可润湿表面的液桥(图1f)，同时通过上述容纳机构(例如针对粘合位置的润湿性反差以及针对芯片粘合表面的边缘钉扎)被包含于所述表面。然后，芯片握持器5释放芯片(图1g)。如在其中液滴被沉积在晶片而不是芯片上的现有技术方法中，归因于芯片的放置而由液体－空气截面上的应力生成的毛细作用力使得芯片能够自对准到晶片粘合位置2，并且给定高度h的液体体积在各粘合表面之间延伸，参见图1g。

晶片握持器5接着拾取第二芯片15(图1h)，返回到分配器10以接收第二液滴16并将第二芯片移动到其专用晶片位置。该过程被重复，直到给定数量的芯片被放置在晶片上，此后集体粘合可以以本领域已知的方式来被执行。

根据本发明的方法的一个主要优点在于被分配在芯片的粘合表面上的液滴在单独附着到该表面的同时不会暴露于环境达延长的和可能不可预测的时间段的事实，由此避免了上述不希望的蒸发的问题。一旦液滴被保持在两个表面之间，则自发的蒸发被禁止或受到更多限制，并且将不会引起与在液滴被分配在晶片表面上时可发生的跨晶片的液滴的非均匀性同类的非均匀性。

因此，在本发明的方法中，不希望的自发蒸发被大大减少。只有在将芯片4从分配器10运送到晶片位置2期间，这种不希望的蒸发仍可能发生。因此，根据优选实施例，被分配在每个芯片上的对准液的体积对于每个芯片而言是不相同的，而该体积与影响液滴在其运送到晶片期间的不希望的蒸发的因素相适配。这些因素主要是芯片的粘合表面的表面积、从分配器10到晶片位置2的距离、握持器5在其从分配器移动到晶片位置期间的速度。其他因素是这些操纵发生的环境的温度、压强和相对湿度。根据优选实施例，针对每个芯片执行两个液体体积v1和v2的计算：

·v1是液滴12'的为了使经自对准的芯片在给定的高度h处悬浮在粘合位置2上方(如图1g所示)的所要求的体积。如果所有芯片具有相同的粘合表面的形状和大小，则值v1对于所有芯片相同。

·v2是在将至少包括分配器和粘合位置之间的距离在内的一个或多个上述因素纳入考虑的情况下所预期的在从分配器10到晶片粘合位置2的运送期间将蒸发的体积。该值对于每个芯片而言是不同的，因为每个芯片被粘合到晶片上的不同粘合位置2。

根据该实施例，由液滴分配器针对每个芯片所供应的液滴12的体积于是为v1+v2，由此确保在受控制的蒸发和粘合过程开始的时刻每个芯片被悬浮在正确的高度h处。该计算预先假定液滴12和12'之间的体积不存在差异(即，假定液滴12被完全转移到芯片)。替代地，如果液滴12和12'之间的差异可被计算出，则其可在v1的计算中被纳入考虑。

适用于后一实施例的液滴分配器10配备有控制装置，用于控制所提供的对准液的体积，使得该体积等于预先计算的值v1+v2。取决于芯片的尺寸，这些控制装置因此必须被配置成将液滴12的体积控制到毫升或更小的数量级上的准确度。配备有能够具有该精度的控制装置的液滴分配器在本领域中是已知的。

在以上描述中，术语“液滴”与由所述术语表示的体积的绝对值无关。在本说明书的上下文中，“液滴”是能够被支持在液滴分配器的孔口处(例如在管道11的末端处)的任何体积。在该方法期间，孔口优选但不排他地朝上取向。孔口也可以以一倾斜角度甚至水平地被支承，只要液滴12可保持附着到孔口。

粘合位置2可以是晶片本身上的位置，如以上描述和附图所示。然而，这些位置也可以是先前经粘合的芯片的上表面或所述上表面的各部分。换言之，本发明的方法也适用于如被应用于3d堆叠或2.5d堆叠的用来形成被组装到着陆晶片的芯片堆叠的芯片的对准和粘合。因此，在本发明上下文中“着陆晶片”的含义是双重的：其可指代其上未曾粘合芯片的空白晶片。其还可指代先前已要么通过本发明的方法要么通过任何其他方法在其上粘合了一个或多个芯片的晶片，并且其中这些粘合位置位于所述先前经粘合的芯片中的一个或多个的上表面上。先前经粘合的芯片可以是通过本发明的方法(2,5d)在其上粘合了多个微芯片的大内插器芯片，或者它们可以是通过本发明的方法(3d)在其上堆叠了另外的微芯片的先前经粘合的微芯片。

尽管已经在附图和前面的描述中具体地解说和描述了本发明，但是此类解说和描述被认为是解说性的或者示例性的而非限制性的。通过研究附图、公开和所附权利要求，本领域技术人员可在实践要求保护的发明时理解和实施所公开实施例的其他变体。在权利要求中，单词“包括”不排除其他元素或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除复数。在相互不同的从属权利要求中陈述某些措施的纯粹事实并不表示不能有利地使用这些措施的组合。权利要求中的任何引用符号不应被解释为限制范围。