CN105405793A - 均匀轴向力承片装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种均匀轴向力承片装置，包括：一片状下施力盖板(10)；一片状下承接托(11)，上表面沿以下承接托(11)的中心为圆心的圆周均匀分布有多个孔，并位于下施力盖板(10)之上；一片状上施力托(14)，与下承接拖(11)的所述多个孔相对应地分布有多个孔，并位于下承接托之上；其中在下承接托(11)和上施力托(14)之间通过多个定向柱(15)插置在相对应的孔中实现连接，在下承接托(11)和上施力托(14)之间还设置有一对上下叠置的保护陪片(16)；一平凸透镜(17)，其平面与上施力托相对地位于上施力托(14)之上；以及一上施力盖板(18)，上施力盖板(18)为片状，位于平凸透镜(17)之上。

Description

均匀轴向力承片装置

技术领域

本发明涉及光子光电子器件、芯片制作技术领域，具体地涉及一种均匀轴向力承片装置。更具体地，本发明涉及一种适于多对晶片共键的均匀轴向力承片装置。

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。

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。无论是直接键合还是间接键合(如利用有机材料粘合)，都需要有均匀的施力装置。一般的做法是，将要键合的两块晶片做各种清洗处理，在对键合面进行共价键激活，形成悬挂键，然后贴合在一起，放入键合设备中，施加均匀压力，形成真空环境，做预键合和退火处理。在实践过程中，机械加工精度、晶片本身平行度等都会对施力均匀性产生影响。直接键合对施力***要求极高，受力不均匀会导致键合晶片内部产生空隙，红外透射下牛顿环明显，不能再进行下一步器件制作。

以往采取一对平行平面对晶片施力。会导致两个问题：一是施力***即使绝对平行，但晶片如果平行度有偏差，受力就会不均匀。二是上下两个晶片在施力过程中会发生晶向偏移，更严重的是非常容易碎片。

发明内容

本发明提供了一种均匀轴向力承片装置，包括：

一下施力盖板，该下施力盖板为片状；

一下承接托，该下承接托为片状，上表面沿以下承接托的中心为圆心的圆周均匀分布有多个孔，并位于下施力盖板之上；

一上施力托，该上施力托为片状，与下承接拖的所述多个孔相对应地分布有多个孔，并位于下承接托之上；

其中在下承接托和上施力托之间通过多个定向柱插置在相对应的孔中实现连接，在下承接托和上施力托之间还设置有一对上下叠置的保护陪片，该对保护陪片的中心与下承接托的中心对准；

一平凸透镜，其平面与上施力托相对地位于上施力托之上；以及

一上施力盖板，上施力盖板为片状，位于平凸透镜之上。

可选地，该均匀轴向力承片装置，还包括：

一个或多个片状的施力承接托，依次设置在下承接托和上施力托之间，每个施力承接托中与下承接拖的所述多个孔相对应地设置有多个贯穿孔，

其中，在以下的至少一个位置处设置有一对上下叠置的保护陪片，该对保护陪片的中心与下承接托的中心对准：

在相邻的下承接托与施力承接托之间；

在相邻的施力承接托之间；或

在相邻的施力承接托与上施力托之间。

可选地，上施力托上的孔为圆孔，数量为3个；以及定向柱为圆柱。

可选地，下施力盖板和上施力盖板均为直径为70-120mm，厚度为30-50mm的圆片。

可选地，所述下施力盖板、下承接托、定向圆柱、上施力托和上施力盖板的材料为不锈钢；并且/或者

所述下施力盖板、下承接托、上施力托和上施力盖板的中心彼此对准；并且/或者

下承接托和上施力托均为直径为70-120mm，厚度为10mm的圆片。

可选地，所述下施力盖板、下承接托、定向圆柱、施力承接托、上施力托和上施力盖板的材料为不锈钢；并且/或者

所述下施力盖板、下承接托、施力承接托、上施力托和上施力盖板的中心彼此对准；并且/或者

下承接托、施力承接托和上施力托均为直径为70-120mm，厚度为10mm的圆片。

可选地，所述的保护陪片的材料为石英玻璃。

可选地，所述保护陪片的中心与所述下承接托的中心对准。

可选地，所述平凸透镜的中心与所述下承接托的中心对准。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：

图1是根据本发明实施例的适于多对晶片共键的均匀轴向力承片装置结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明提供一种适于多对晶片共键的均匀轴向力承片装置，包括：

一下施力盖板10，该下施力盖板10为圆片状；下施力盖板10通过可调连接部件固定于连接到键合设备下端气缸的活塞端。该可调连接部件用于调节下施力盖板10的位置和/或角度。气缸中通过充气量来控制压力大小，推动下施力盖板10运动或实现压力变化。下施力盖板10一般为不锈钢材料，经过抛光而成。与向上施力盖板18为一对，特征相同。上下施力盖板可通过调节，保证一定平行度。

一下承接托11，该下承接托11为圆片状，其上表面沿以承接托11的圆心为圆心的圆均匀分布有多个圆孔(本实施例圆孔的数量为3个)，其位于下施力盖板10之上；每个圆孔孔径为10mm，当数量为3时，孔中心与下承接托11中心连线互成120度角。各个孔中心距离下承接托11中轴线距离相等，为30-40mm。该均匀分布圆孔深度为承接托11厚度1/2到3/4。该多个孔主要作用是定位。

一上施力托14，该上施力托14为圆片状，其上面与下承接托11的多个圆孔位置相对应地均匀分布有多个圆孔(本实施例圆孔的数量为3个)，其位于下承接托11之上；每个圆孔孔径为10mm，当数量为3时，孔中心与上施力托14中心连线互成120度角。孔中心距离上施力托14中轴线距离为30-40mm。该均匀分布圆孔穿透上施力托14。该多个孔主要作用是定位。

其中所述的下承接托11和上施力托14的直径为70-120mm，厚度为10mm；

其中在下承接托11和上施力托14之间通过多个定向圆柱15插置连接。定向圆柱15为不锈钢材质或其他硬度较高材料制成，与上施力托14材料相同，定向圆柱15将插于上施力托14和下承接托11上的均匀分布圆孔中，实现定位。定向圆柱15直径为10mm，高为40mm-100mm左右，依键合对数而定。要求表面抛光，并与圆孔，紧密吻合，并可自由穿入滑动。

可选地，在下承接托11和上施力托14之间还有若干个施力承接托，包括第一施力承接托12，第二施力承接托13等，视需要键合晶片对数而定。对于只有一个施力承接托而言，键合的晶片对数为2，对于有n个施力承接托而言，键合的晶片对数为n+1。每对晶片由保护陪片16保护叠放于各托之间。每个施力承接托与下承接托11的多个圆孔位置相对应地设置有多个贯穿圆孔。

根据本发明的实施例，下承接托11、上施力托14和各个施力承接托中的圆孔具有相同尺寸和形状。可选地，该圆孔也可以采用其他形状，例如方形、矩形、多边形等。相应地，定向圆柱15也可以采用与孔相配的其他形状。每个托中的孔可以为相同或不同形状。

根据本发明的实施例，下承接托11、上施力托14和各个施力承接托也可以为相同或不同形状的片状。下承接托11、上施力托14和各个施力承接托也可以采取圆形以外的其他形状。根据本发明的实施例，下施力盖板10、下承接托11、上施力托14和上施力盖板18的中心彼此对准。在包括施力承接托的情况下，施力承接托的中心可以与下施力盖板10、下承接托11、上施力托14和上施力盖板18的中心彼此对准。

例如，对于只有一个施力承接托12的情况，第一对晶片由保护陪片16夹持放于下承接托11和第一施力承接托12之间，中心对准。第二对晶片由保护陪片16夹持放于第一施力承接托12和上施力托14之间，中心对准。

所述的保护陪片16的材料为石英玻璃；保护陪片16为厚度为5mm以上的两片石英片，尺寸将根据所键合晶片的大小不同而不同，通常键合晶片尺寸为10mm×10mm，则保护陪片尺寸约为12mm×12mm。保护陪片要求有镜面级平坦度。

一平凸透镜17，其位于上施力托14之上；平凸透镜17为纯石英材料，材料均匀一致，制作工艺与常规光学透镜相同，平面部分所在圆直径约为70-120mm，突出部分弧形半径约为50mm，做抛光处理。目的在于使轴向压力向下均匀施加，由点及面。

一上施力盖板18，该上施力盖板18为圆片状，其位于平凸透镜17之上。上施力盖板18通过可调连接部件固定于键合设备上端气缸的活塞端。该可调连接部件用于调节上施力盖板18的位置和/或角度。

其中所述的下施力盖板10和上施力盖板18的直径为70-120mm，厚度为30-50mm。

其中所述的下施力盖板10、下承接托11、定向圆柱15、上施力托14和上施力盖板18的材料为不锈钢。

本发明实现自动找平、轴向力的均匀分布、目标晶片准确定位和防止碎片。利用该施力装置在20公斤力下获得的1厘米×1厘米硅和铟磷键合实验结果，在***图中不存在牛顿环，成功率几乎100％。而用普通装置经常会出现牛顿环，在腐蚀去衬底的过程中就会分离开，导致键合失败。本发明特点在于整个轴向压力施加方法，不是采用直接的加压方式，而是加入找平部件，承力部件及保护部件等，实现均匀施压，目标晶片可以给予更大的压力而不碎裂，目的是实现更牢固的键合。

下面参考图1说明本发明的使用过程。

1.首先准备好需要键合的晶片，如硅片(SOI晶片)和INP片(或其它III-V族晶片)各3片，一般尺寸为10mmx10mm，对于图形键合而言，硅片或SOI片上分布各种波导器件，届时晶片表面出现局部凹陷，常规的加压方式会对键合强度影响很大。晶片表面要经过复杂的清洗处理和悬挂键激活。

2.将处理好的晶片在超净环境中贴合到一起，对准晶向，形成3对。每对放到两个保护陪片16之间。

3.将第一对保护好的晶片放于下承接托11之上。调整好中心位置。

4.将三个定位圆柱15插于下承接托11三个圆孔当中。

5.将第一施力承接托12盖在上述物体组合上，通过树立起来的三个定位圆柱15穿过第一施力承接托12的三个圆孔实现，紧密压合，各中心重合。

6.将第二对保护好的晶片放于第一施力承接托12之上。调整好中心位置。

7.将第二施力承接托13盖在上述物体组合上，通过树立起来的三个定位圆柱15穿过第二施力承接托13的三个圆孔实现，紧密压合，各中心重合。

8.将第三对保护好的晶片放于第二施力承接托13之上。调整好中心位置。

9.将上施力托14盖在上述物体组合上，通过树立起来的三个定位圆柱15，穿过上施力托14上的三个圆孔实现，紧密压合。至此键合晶片已经处于上下托的夹压之中。该体系要求各中心重合。

10.将平凸透镜17放于上述包含晶片的托上，平面朝下，中心重合。

11.将上述体系放于下施力盖板10之上，中心重合。

12.将上施力盖板18压下，保持整个体系中心重合。

13.使整个***处于真空环境中，加均匀轴向压力5-20公斤/平方厘米，然后进行高温退火。

14.冷却至室温，撤掉压力，取出晶片。

本发明适用于混合硅基光子、光电子有源无源器件或芯片的制作，以及大功率光子晶体激光器应用。

根据本发明的自适应施力装置，通过作用力与反作用力原理实现多片串联键合，克服了以往键合设备中一次只能键合一对晶片，效率很低的问题。

根据本发明的适于多对晶片共键的均匀轴向力承片装置，适用于同质或异质材料间的键合，适合小尺寸晶片的精确定位，多片共键。通过对保护陪片及施力承接托的重复叠放实现多片叠压，达到多组晶片共键的目的。本发明特点在于多对晶片共键的实现方法，每对晶片进行单独保护，共用轴向力，并可分别进行定位。整个轴向压力施加方法，不是采用直接的面接触加压方式，而是加入自平衡部件，实现均匀施压，目标晶片可以给予更大的压力而不产生碎裂，进而实现更牢固的键合。多对晶片共键大幅度提高了生产效率。

本发明具有以下有益效果：

1)本发明施力***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。

2)本发明提供的施力***采取由点及面施压方式，能够实现自动找平、轴向力均匀分布。轴向压力施加方法独特，不是采用直接的加压方式，而是加入找平部件，承力部件及保护部件等，实现均匀施压。实验表明键合成功率100％。

3)本发明提供精巧的晶片保护技术，材料和几何尺寸选取，都是大量实验的结果。目标晶片可以给予更大的压力而不碎裂，进而实现更牢固的键合。

4)本发明采用自上而下的贯穿定位、每对晶片单独保护定位、串行压力传递的方式实现多组晶片共键，大幅度提高键合效率。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种均匀轴向力承片装置，包括：

一下施力盖板(10)，该下施力盖板(10)为片状；

一下承接托(11)，该下承接托(11)为片状，上表面沿以下承接托(11)的中心为圆心的圆周均匀分布有多个孔，并位于下施力盖板(10)之上；

一上施力托(14)，该上施力托(14)为片状，与下承接拖(11)的所述多个孔相对应地分布有多个孔，并位于下承接托之上；

其中在下承接托(11)和上施力托(14)之间通过多个定向柱(15)插置在相对应的孔中实现连接，在下承接托(11)和上施力托(14)之间还设置有一对上下叠置的保护陪片(16)，该对保护陪片的中心与下承接托(11)的中心对准；

一平凸透镜(17)，其平面与上施力托相对地位于上施力托(14)之上；以及

一上施力盖板(18)，上施力盖板(18)为片状，位于平凸透镜(17)之上。

2.根据权利要求1所述的均匀轴向力承片装置，还包括：

一个或多个片状的施力承接托，依次设置在下承接托(11)和上施力托(14)之间，每个施力承接托中与下承接拖(11)的所述多个孔相对应地设置有多个贯穿孔，

其中，在以下的至少一个位置处设置有一对上下叠置的保护陪片，该对保护陪片的中心与下承接托(11)的中心对准：

在相邻的下承接托与施力承接托之间；

在相邻的施力承接托之间；或

在相邻的施力承接托与上施力托之间。

3.根据权利要求1或2所述的均匀轴向力承片装置，其中：

上施力托(14)上的孔为圆孔，数量为3个；以及

定向柱为圆柱。

4.根据权利要求1或2所述的均匀轴向力承片装置，其中下施力盖板(10)和上施力盖板(18)均为直径为70-120mm，厚度为30-50mm的圆片。

5.根据权利要求1所述的均匀轴向力承片装置，其中：

所述下施力盖板(10)、下承接托(11)、定向圆柱(15)、上施力托(14)和上施力盖板(18)的材料为不锈钢；并且/或者

所述下施力盖板(10)、下承接托(11)、上施力托(14)和上施力盖板(18)的中心彼此对准；并且/或者

下承接托(11)和上施力托(14)均为直径为70-120mm，厚度为10mm的圆片。

6.根据权利要求2所述的多均匀轴向力承片装置，其中：

所述下施力盖板(10)、下承接托(11)、定向圆柱(15)、施力承接托、上施力托(14)和上施力盖板(18)的材料为不锈钢；并且/或者

所述下施力盖板(10)、下承接托(11)、施力承接托、上施力托(14)和上施力盖板(18)的中心彼此对准；并且/或者

下承接托(11)、施力承接托和上施力托(14)均为直径为70-120mm，厚度为10mm的圆片。

7.根据权利要求1或2所述的多对晶片共键的均匀轴向力承片装置，其中所述的保护陪片(16)的材料为石英玻璃。

8.根据权利要求1或2所述的均匀轴向力承片装置，其中：

所述保护陪片的中心与所述下承接托(11)的中心对准。

9.根据权利要求1或2所述的均匀轴向力承片装置，其中：

所述平凸透镜的中心与所述下承接托(11)的中心对准。