CN101853801B - 用于固定器件的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种固定器件的装置和方法。该装置包括晶片夹，其具有延伸穿过其中的第一和第二孔，以及压力控制结构，其能够独立地并选择性地在环境压力之上和之下的压力之间改变每个所述第一和第二孔中的压力。该方法包括提供晶片夹，该晶片夹具有延伸穿过其中的第一和第二孔，独立地并选择性地在环境压力之上和之下的压力之间改变每个第一和第二孔中的流体压力。

Description

用于固定器件的方法和装置

技术领域

本发明一般地涉及固定装置，更具体地涉及晶片夹和压力控制结构。

背景技术

近些年半导体集成电路(IC)工业经历了快速的发展。IC材料和设计的技术进步已产生了多代IC，其中每一代比前一代都具有更小和更复杂的电路。通常通过加工半导体晶片而制造这些IC。半导体晶片的加工可能需要用装置如晶片夹固定半导体晶片。然而，目前的晶片固定装置可能导致晶片缺陷如应力缺陷或气泡缺陷，其可能导致IC失效或不能使用。从而，虽然现有的晶片固定装置一般能够达到它们的目的，但是在每个方面还没有完全符合要求。

发明内容

本发明的一种较广的形式包括一种装置，包括：晶片夹，其具有延伸穿过其中的第一和第二孔；压力控制结构，其能够独立地并选择性地在环境压力之上和之下的压力之间改变每个第一和第二孔中的流体压力。

本发明的另一种较广的形式包括一种制造半导体器件的方法，包括：提供晶片夹，该晶片夹具有延伸穿过其中的第一和第二孔；独立地并选择性地在环境压力之上和之下的压力之间改变每个第一和第二孔中的流体压力。

本发明的又一种较广的形式包括一种制造半导体器件的方法，包括：提供具有顶侧和底侧的晶片夹，该晶片夹具有延伸穿过其中的第一和第二孔；独立地并选择性地调节流入或流出每个第一和第二孔的流体。

附图说明

本发明的方面通过以下的详细描述结合附图可以得到更好的理解。需要强调的是，根据行业内的标准实践，各个特征没有按比例绘制。实际上，为了清楚的描述，各个特征的尺寸可以任意地增加或减小。

图1为根据本发明的各个方面的用于制造半导体器件的方法的流程图；

图2为根据本发明的各个方面的器件固定装置的高层示意图；

图3-5为根据本发明的各个方面的晶片夹的各个实施例的顶层视图，该晶片夹为器件固定装置的部分；和

图6-9为根据本发明的各个方面的制造半导体器件的高层侧视图。

具体实施方式

可以理解的是，下面的说明书提供了很多不同的实施例，例如，用于实现本发明的不同特征。以下描述了元件和排列的具体例子以简化本说明书。当然，这些仅仅是例子，并不作为限制。另外，以下的描述中第一特征在第二特征之上或上面的结构可以包括第一和第二特征直接接触的实施例，也可以包括附加的特征形成在第一和第二特征之间的实施例，这样第一和第二特征可能不是直接接触。为了简单和清楚的目的，各个特征任意地按不同的比例绘制。

图1示出了根据本发明的各个方面的用于独立和选择性的变化晶片夹中的多个孔中的每一个的流体压力的方法100的流程图。参考图1，方法11开始于块13，其中提供了晶片夹，该晶片夹具有在延伸穿过其中的第一和第二孔。方法11继续到块15，其中在第一和第二孔中产生真空以将第一半导体晶片固定到晶片夹的顶侧。方法11继续到块17，其中提供了位于第一晶片之上并与其对准的第二半导体晶片。方法11继续到块19，其中将第一加压流体提供到第一孔以使得在第一孔之上第一晶片的部分与第二晶片的部分接触，从而产生激活区。方法11继续到块21，其中将第二加压流体提供到第二孔以延伸激活区。

参考图2，示出了器件固定装置33的高层示意图。器件固定装置33包括晶片夹35，该晶片夹35包括非导电材料，如陶瓷材料。晶片夹35具有顶面(也成为顶侧)37和底面(也成为底侧)38。顶面37和底面38都是相对平坦的，这样晶片夹35的厚度40在大约0.1微米(μm)到大约100μm的范围内变化，例如，大约5μm。晶片夹35的厚度40的变化量也可以称为总厚度变量。晶片夹35也包括一个或多个孔(或开口)。为了简单和示意的目的，图2中示出了三个孔42、44和46。孔42、44、46穿过晶片夹35延伸。孔42、44和46分别具有尺寸48、50和52。在图2所示的实施例中，尺寸48、50和52在从大约0.1毫米(mm)到大约50mm的范围内，例如，大约0.5mm。可以理解的是，以上提供的值仅仅是示例性的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以使用可选择的值实现图2所示的实施例。

孔42通过通道60的端口62连接到通道60。通道60还包括端口64和66，其分别连接到阀门74和76的顶端部分70和72。孔44通过通道80的端口82连接到通道80。通道80还包括端口84和86，其分别连接到阀门94和96的顶端部分90和92。孔46通过通道100的端口102连接到通道100。通道100还包括端口104和106，其分别连接到阀门114和116的顶端部分110和112。每个阀门74、76、94、96、114和116也分别具有底端部分120、122、124、126、128和130。底端部分120、124和128通过通道145连接到真空源，如真空泵140。底端部分122、126和130通过通道155连接到压力源，如压力泵150。通道60、80、100，每个包括软管、管道、导管或其组合，以使得流体，如空气，流入或流出对应的孔42、44和46。通道145和155与通道60、80和100类似，这样流体能够分别流入或流出真空泵140和压力泵150。能够打开阀门74、76、94、96、114和116每个以使得自由流体流过其中，或被关闭以使得没有流体流过其中。阀门74、76、94、96、114和116连接到控制器160，这样控制器160能够独立地选择性地控制每个阀门74、76、94、96、114和116的打开和关闭。控制器160可以为操作员，如技术员或工程师，电脑运行预加载程序，或其他适合用于自动控制的器件。

通道60、80、100、145和155，阀门74、76、94、96、114和116，真空泵140，压力泵150和控制器160的组合每个可以视作压力控制结构165的一个组件。压力控制结构165的各个组件彼此联合工作以管理在孔42、44、46和真空泵140和压力泵150之间流动的流体。例如，真空泵140能够用于产生吸力以使得流体167流向真空源140。也就是，真空泵140提供真空。压力泵150能够用于产生压力以使得流体168从压力泵150流出。也就是，压力泵150提供加压流体168。流体167和168包括空气。可选择地，流体167和168可以包括其他适合的气体或液体。流体167和168可以是相同的或不同的。

控制器169用于选择流体167和168的流动路径。在一个实施例中，控制器160打开阀门74、96和114，并关闭阀门76、94和116。因此，流体167受压流出孔42，穿过通道60，穿过打开的阀门74，并穿过通道145，流向真空泵140。因为阀门76关闭，因此压力泵150提供的加压流体不能穿过阀门76，从而不能到达孔42。类似地，当压力泵150提供的加压流体被阀门116切断时，流体受压从孔46流出，流向真空泵140。相对于孔44，因为阀门94关闭了，所以真空泵140不迫使流体流出孔44并流向真空泵140。然而，因为阀门96是打开的，所以压力泵150能够通过通道155和80向孔44提供加压流体。上述的具体流动路径仅仅是示例性的，可以使用控制器打开或关闭阀门74、76、94、96、114和116来设计其他的流动路径。

继续上述例子，每个孔42、44和46具有其中的初始压力，其可以称为环境压力。在当前实施例中，环境压力为标准大气压力，其接近等于1013.25毫巴(mili-bar)。如上所述，流体167流出孔42和46分别减小了孔42和46内的环境压力。孔42和46中减小的压力导致了孔42和46内的真空效应，其造成吸力，该吸力在向下的方向拉动位于晶片夹35的顶侧37之上的器件如半导体晶片170。在当前实施例中，每个孔42和46中的吸力为大约940毫巴。也就是说，孔42和46内部的环境压力通过使孔42和46之外的流体167流动而减小了大约940毫巴。因此，半导体晶片170可以被固定到晶片夹35。同时，将加压的流体168输送到孔44增加了孔44内的环境压力。在当前实施例中，孔44内的环境压力增加了大约940毫巴。孔44中的压力增加可导致在孔44之上的晶片170部分向上弯曲(未示出)。从而，压力控制结构165能够独立地和选择性地改变在高于和低于环境压力的压力之间的每个孔42、44和46中的流体压力。也可以说，真空泵140和压力泵150的每个与孔42、44和46流体交流。

现在参考图3，示出了晶片夹35的几个示例性的实施例的顶层示意图。在图3A中，晶片夹35A的一个实施例基本为圆形，包括基本为圆形的孔177A、178B和179C。孔177A、177B和177C一起形成类似直线的图案。孔177A和177C位于接近晶片夹35A的边缘区域，孔177B位于接近晶片夹35A的中心区域。在图3B中，晶片夹35B的不同实施例基本为圆形，包括基本为矩形的孔180A、180B和180C。孔180A、180B和180C一起形成类似于三角形的图案。孔180A、180B和180C位于接近晶片夹35B的边缘区域，并被设置为从晶片夹35B的中心区域等距离放射。在图3C中，晶片夹35C的又一个实施例基本为圆形，并包括基本为三角形的孔183。孔183一起形成类似于彼此交叉的两条线，如“+”符号的图案。一个孔183位于接近晶片夹35C的中心区域，其他的孔183从晶片夹35的中心区域沿向上、向下、向左和向右的方向延伸。在图3D中，晶片夹35D的又一个实施例基本为圆形，并包括基本为圆形的孔185。一个孔185位于接近晶片夹35D的中心区域，其他的孔185从晶片夹的中心区域沿多个方向放射延伸。可以理解的是，虽然图3中所示的晶片夹35A-35D基本为圆形，但是晶片夹35的其他实施例可以呈现适合用于固定所需要的器件的其他形状，如矩形、椭圆形、梯形、三角形或多边形。另外，虽然图3中所示的实施例中孔177-185基本为圆形、矩形或三角形，但是在可选择的实施例中，它们可以呈现其他适合的形状。在半导体制造期间，与使用现有的夹的半导体制造相比，使用图3和上述的晶片夹可以减小半导体晶片中的边缘应力缺陷和气泡缺陷。

现在参考图4，示出了晶片夹35E的另一个实施例的顶层示意图。晶片夹35E包括多个槽186，例如，186A、186B和186C。在图4中槽186示为黑色圆形区域和与圆形区域互连的黑色矩形区域。这些槽186的互连形成四个压力区187、188、189和190，其在图4示出的实施例中呈现同心圆形。例如，压力区187包括圆形槽186A、186B、186C和矩形槽186D、186E、186F，其中圆形槽186A-186C通过矩形槽186D-186F彼此互连。在图4所示的实施例中，压力区190最接近晶片夹35E的中心区，然后分别是压力区189、188和187。

每个压力区187-190也包括一个或多个孔191，其连接到压力控制结构(未示出)，该压力控制结构类似于上述图2中的压力控制结构165。例如，孔191A、191B和191C位于压力区187的槽186B上。根据上述图2所述的，压力控制结构用于通过在孔191内产生真空或将加压流体提供到孔191，改变每个孔191中的环境压力。因为孔191位于在槽186上，所以槽186中的压力响应于孔191中的压力变化。例如，如果在孔191B中产生真空，因为槽186A-186C连接到孔191B，所以槽186A-186C中也产生真空。孔191以一种方式连接到压力控制结构，压力控制结构能够独立地控制每个孔191中的压力，因此能够控制每个压力区187-190中的压力。例如，可以在压力区187和189中产生真空，以降低压力区187和189中的压力，同时加压流体被提供到压力区188和190，以增加压力区188和190中的压力。

现在参考图5，示出了晶片夹35F的又一个实施例的顶层示意图。晶片夹35F包括多个槽192，例如，192A、192B、192C和192D。槽192在图5中示为被黑色区域195环绕的亮色圆形区域。黑色圆形区域193为将槽192彼此隔开的“壁”。例如，槽192B和192D被壁193A彼此隔开，并由壁193B、193C、193D和193E环绕。孔194A穿过壁193A，延伸进入槽192B和192D中。因此，孔194A与槽192B和192D互连。孔194A也连接到压力控制结构(未示出)，该压力控制结构类似于上述图2中的压力控制结构165。因此，压力控制结构能够可通过改变孔194A内的压力，从而改变槽192B和192D内的环境压力。同样地，槽192B、192D和孔194A形成压力扇区195，其呈现类似于圆周中的120度弧的形状。类似地，其他的孔，如孔194B和194C用于联合其他的槽形成多个压力扇区，如压力扇区196和197。能够通过连接到每个压力扇区195-197的对应孔194的压力控制结构独立地控制每个压力扇区195-197中的压力。例如，可以在压力扇区195和197中产生真空以降低压力扇区195和197中的压力，同时将加压流体提供到压力扇区196中以增加压力扇区196中的压力。

图6-9示出了根据本发明的一个实施例的制造半导体器件的不同阶段的高层侧视图。现在参考图6，提供了具有孔202、204、206、208、210、212、214、216和218的晶片夹200。孔210位于接近晶片夹200的中心区域。孔208、206、204和202从孔210在沿晶片夹200的以一个方向向外放射延伸。孔212、214、216和218从孔210以相反的方向向外放射延伸。晶片夹200连接到类似于上述图2中的压力控制结构165的压力控制结构220。为了简化的目的，图5中没有示出压力控制结构220的组件，晶片夹200和压力控制结构220之间的连接通过从压力控制结构220向外延伸的虚线表示。晶片夹200具有顶侧222和底侧224。半导体晶片226置于晶片夹200的顶侧222之上。在当前实施例中，半导体晶片226包括辐射检测器件，如像素(pixels)，用于检测投射到其上的辐射。在其他的实施例中，半导体晶片226可以包括其他适合的器件。

流体232、234、236、238、240、242、244、246和248分别存在于孔202、204、206、208、210、212、214、216和218中。在当前实施例中，流体232-248包括空气。在可选择的实施例中，流体232-248可以包括其他适合的气体或液体，可以彼此不同。返回参考图6，压力控制结构220用于使流体232-248从晶片夹200的底侧224流出它们各自的孔202-218。流体232-248的流动降低了它们各自的孔202-218内的环境压力(参考上述图2)。从而，在孔202-218中产生真空，这样将半导体晶片226固定设置在晶片夹200上。以相似的方式，将另一个半导体晶片250固定在晶片夹252上，该晶片夹252具有每个位于晶片夹252的边缘区域上的孔254和256。半导体晶片250位于半导体晶片226之上并与其对准。晶片夹252连接到类似于上述图2所描述的压力控制结构165的压力控制结构220A。为了简化的目的，图5中没有示出压力控制结构220A的组件，且晶片夹252和压力控制结构220A之间的连接使用从压力控制结构220A向外延伸的虚线表示。

现在参考图7，使用压力控制结构220，流体258、260和262分别受压流入孔208、210和212中。在当前实施例中，流体258、260和262包括空气，但是在其他的实施例中，可以包括其他适合的气体或液体，并可以彼此不同。使流体258、260、262分别流动到孔208、210、212中增加了孔208、210和212内的压力。部分由于孔208-212中的压力增加，半导体晶片226的在孔208、210和212之上的部分265A向上弯曲，或形成向上的曲率，这样晶片226的部分265A与半导体晶片250相接触。也就是，半导体晶片226开始与半导体晶片250键合。环绕部分265A的区域称为激活区(activation zone)270A，其近似的边界由图7中虚线表示。同时，半导体晶片226通过孔202-206和214-218中通过使流体232-236和244-248从晶片夹200的底侧224流出各自的孔202-206和214-218而产生的真空保持固定。

现在参考图8，使用压力控制结构220，流体272和274分别受压流入孔206和214。在当前实施例中，流体272和274包括空气，但是在其他的实施例中，可以包括其他适合的气体或液体，并可以彼此不同。使流体272和274分别流入孔206和214，这增加了空206和214内的压力。部分由于孔206和214中的压力增加，弯曲部分265A延伸或扩展而成为弯曲部分265B。因此，激活区270A扩展到270B中。同时，半导体晶片226通过孔202-204和216-218中通过使流体232-234和246-248从晶片夹200的底侧224流出各自的孔202-204和216-218产生的真空而保持固定。从而，半导体晶片226和半导体晶片250之间的键合开始于半导体晶片226和250的中心区域，以放射和波状的方式扩展到半导体晶片226和250的边缘区域。因此，当前实施例的键合方法可以称为波键合。与现有的方法相比，波键合减少了在键合期间两个半导体晶片226和250之间可能产生的气泡的数目。

现在参考图9，完成了半导体晶片250和226之间的键合。然后半导体晶片226从背面280(或底侧)被减薄以减小其厚度。之后，在半导体晶片226的背面280之上形成滤色器层283。滤色器层283能够支持不同颜色的滤色器(如红、绿和蓝)，可以设置为使入射光辐射指向其上并穿过其中。例如，滤色器层包括用于过滤第一波长的光辐射的滤色器285，用于过滤第二波长的光辐射的滤色器287，用于过滤第三波长的光辐射的滤色器289，这样对应于第一、第二和第三波长的具有不同颜色的光分别被滤色器285、287和289过滤。滤色器285、287和289可以包括用于过滤特定的波段的染料型(或颜料型)聚合体或树脂。

之后，然后在滤色器285、287和289之上形成具有多个微镜片的微镜片层195，其用于定向和聚焦投射向半导体晶片226中的像素的光辐射。可以根据用于微镜片的材料和与传感器表面的距离而将微镜片层295中的镜片设置为不同的排列，并具有不同的形状。可以理解的是，在形成滤色器层283或微镜片层295之前，半导体晶片226也可以进行可选的激光退火工艺。同样地，可以在半导体晶片226和滤色器层283之间可选地形成增透膜(ARC)层。

以上概述了几个实施例的特征，这样本领域技术人员可以更好地理解本发明的方面。本领域技术人员应当理解，他们可以很容易使用本发明作为基础用于设计或改进用于实现与此处所介绍的实施例具有相同的目的和/或达到相同的有益效果的其他工艺和结构。本领域技术人员也应当意识到，这些等同的结构没有偏离本发明的精神和范围，他们可以在不偏离本发明的精神和范围的条件下于此做出各种变化、替换和改造。

Claims (4)

1.一种制造半导体器件的方法，包括：

提供晶片夹，所述晶片夹具有延伸穿过其中的第一和第二孔；以及

独立地并选择性地在环境压力之上和之下的压力之间改变每个所述第一和第二孔中的流体压力，

其中独立地并选择性地改变流体压力通过以下步骤实现：

在所述第一和第二孔中产生真空以将第一半导体晶片固定到所述晶片夹的顶侧；

提供位于所述第一晶片之上并与其对准的第二半导体晶片；将第一加压流体提供到所述第一孔以使得在所述第一孔之上的所述第一晶片的部分与所述第二晶片相接触，从而产生激活区；以及

将第二加压流体提供到所述第二孔以扩展所述激活区，

其中进行所述晶片的提供使得所述第一孔位于所述夹的中心区域中，所述第二孔位于所述夹的边缘区域中，以使得所述激活区最初围绕所述夹的中心区域形成，并在放射方向扩展。

2.一种制造半导体器件的方法，包括：

提供具有顶侧和底侧的晶片夹，所述晶片夹具有延伸穿过其中的第一和第二孔；以及

独立地并选择性地调节流入或流出每个所述第一和第二孔的流体，

其中独立地并选择性地调节流体流动通过以下步骤实现：

使第一和第二流体分别从所述底侧流出所述第一和第二孔，以使第一半导体晶片固定到所述晶片夹的顶侧；

提供位于所述第一晶片之上并与其对准的第二半导体晶片；

使第三流体从所述底侧流入所述第一孔以在所述第一晶片中形成向上弯曲的部分，使得所述弯曲部分的区域与所述第二晶片的区域接触；以及

使第四流体从所述底侧流入所述第二孔以在放射方向延伸所述弯曲部分。

3.根据权利要求2所述的方法，其中进行所述晶片夹的提供使得所述第一孔位于接近所述晶片夹的中心区域，所述第二孔位于所述晶片夹的边缘区域，其中每个所述第一、第二、第三和第四流体包括空气。

4.根据权利要求2所述的方法，还包括：

减薄所述第一晶片；以及

在所述第一晶片上形成图像过滤器和微镜片。

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