TWI701708B - 半導體接合設備及相關技術 - Google Patents

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  • Wire Bonding (AREA)
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Abstract

一種半導體結構接合設備被揭露。該設備可包括校平調整系統(leveling adjustment system)，其被建構來提供該設備的上塊體組件及下塊體組件的校平調整。在一些例子中，該校平調整系統可包括多個螺紋柱、異螺距螺紋式(differentially threaded)調整軸套、及校平套筒。在一些例子中，該校平調整系統可進一步包括多個預加載彈簧，其被建構來提供一給定的預加載能力和調整範圍。在一些例子中，該校平調整系統可進一步包括一測力器(load cell)，該等螺紋柱的一者可被插入穿過該測力器。在一些實施例中，該上塊體組件可進一步包括一反作用力板(reaction plate)，其被建構來減小該上塊體組件的變形。在一些實施例中，該上塊體組件可進一步包括一隔熱板，其被建構來提供服貼的撓曲(compliance deflection)且可如所需地是單片式或多片式構造。

Description

半導體接合設備及相關技術 〔相關申請案〕
本專利申請案主張2016年2月24日提申，名稱為‘Simplified Apparatus and Method for Semiconductor Bonding’的美國暫時申請案第62/299,349號的好處，而且本案和2007年6月21提申之名稱為‘Apparatus and Method for Semiconductor Bonding’的美國非暫時申請案第11/766,531號(其在2011年5月24日獲准為美國專利第7,948,034號)有關。這些專利申請案和專利案的每一者皆藉由參照而被併於本文中。
本揭露內容係關於用於半導體接合的設備和方法，尤其是關於一種簡化的強大力量的半導體接合設備和方法。
本揭露內容係關於描述在本案申請人同時擁有的美國專利第7,948,034號中的方法和設備的改良，該 專利案的內容藉由參照而被併於本文中，就如同它的全部內容被揭露於本文中一樣。
消費者想要更便宜的電子和電氣裝置。製造消費性電子及電氣裝置的一個最主要的成本是半導體裝置的成本，該等半導體裝置提供讓消費者想要這些電子裝置的真正的特徵。半導體裝置的製造商因而持續找尋降低半導體裝置的製造成本的方式。在決定半導體裝置的單位成本時的一個關鍵的因素是出現在一給定的批量中的瑕疵。如可被瞭解地，因為瑕疵所造成的半導體裝置的損失對製造商會產生財務上的損失，這通常會藉由提高單位價格來予以彌補。瑕疵會被導入到半導體裝置的製程中的一個區域就是在基材晶圓接合的時候。晶圓接合涉及了在受控制的氛圍中施加熱、力、及有時候是電壓於兩片或更多片對齊的晶圓構成的堆疊上。任何晶圓接合的目標就是要製造出在整個晶圓區域內都很均勻，沒有會對晶圓與晶圓對準的不利影響之高度一致性的接合。為了更好的接合結果，面與面之間的壓力會相當地高，因此，將很大的力施加至將被接合的晶圓上是所想要。例如，在一個200mm直徑的晶圓上施加100kN的力或在一個300mm直徑的晶圓上施加225kN的力。然而，雖然能夠形成接合，但強大的力亦會造成施加這些力的傳統接合工具撓曲和變形，造成面與面之間壓力均勻性不佳、接合品質不穩定、晶圓移位、及接合後碗形化(post-bond bowing)的結果，並造成藉由使用強大的接合力來達成改良的償試失敗。在傳統的系統 中，壓力的不均勻性在整個接合界面上高達50%。
因此，提供一種可施加均勻的壓力於整個接合界面上的設備是所想要的。提供一種比現今的設備更簡化且便宜，而且比習知設備更容易裝設及使用的設備亦是所想要的。
本申請案的發明主體在一些例子中涉及了相關聯的產品、一特定問題的替代性解決方案、及/或一單一系統或物件的多種不同的用途。
一示範性實施例提供一種半導體結構接合設備，其包括：一下塊體組件，其包括一第一表面，其被建構來接受至少一半導體晶圓於其上；一上塊體組件，其包括一第二表面，其被建構成在施加接合力於該至少一半導體晶圓上時將和該第一表面接觸；及一校平調整系統，其被建構來提供該上塊體組件相對於該下塊體組件的校平調整。該校平調整系統包括：一第一螺紋柱；一包圍該第一螺紋柱的第一異螺距螺紋式(differentially threaded)調整軸套；一包圍該第一異螺距螺紋式調整軸套的第一校平套筒；一第二螺紋柱；一包圍該第二螺紋柱的第二異螺距螺紋式調整軸套；及一包圍該第二異螺距螺紋式調整軸套的第二校平套筒。在一些例子中，該第一異螺距螺紋式調整軸套和該第二異螺距螺紋式調整軸套的至少一者被建構成微米驅動系統，其具有第一螺距的外螺紋和第二螺距的內 螺紋，第二螺距不同於第一螺距。在一些例子中，該第二螺距比第一螺距小0.5mm。在一些例子中，該第一異螺距螺紋式調整軸套和該第二異螺距螺紋式調整軸套的至少一者被建構來提供1.0mm或更小的有效螺距解析度。在一些例子中，該第一校平套筒和該第二校平套筒的至少一者包括一肩部，其被建構來接納一緊固件，使得該第一校平套筒和該第二校平套筒的該至少一者在該上塊體組件相對於該下塊體組件的校平調整期間被防止轉動。在一些例子中，該第一校平套筒和該第二校平套筒的至少一者包括一夾鉗，其與之一體形成且被建構來提供徑向夾鉗力，該徑向夾鉗力在完成該上塊體組件相對於該下塊體組件的校平調整之後被旋緊時可減小Z軸運動。在一些例子中：該設備進一步包括一附裝板，其可操作地和該第一螺紋柱和該第二螺紋柱耦合且被建構來將來自該上塊體組件的負荷分散到該第一螺紋柱和該第二螺紋柱；且該校平調整系統進一步包括多個預加載的彈簧，其被設置在該附裝板和該第一螺紋柱和該第二螺紋柱的至少一者之間。在一些例子中，該等多個預加載的彈簧的至少一者是Belleville式圓錐盤形墊圈(washer)。在一些這種例子中，該等多個預載彈簧被建構來提供下列至少一者：至少5kN的預加載力；及在約±2mm的範圍內的調整範圍。在一些例子中，該校平調整系統進一步包括一上間隔片擋止件，其被設置成蓋在該第一螺紋柱及該第二螺紋柱的至少一者上，在該第一異節距螺紋式調整軸套和該第二異節距螺紋式調整軸套的 一相應的至少一者內，且被建構來接納一緊固件，使得該緊固件和該第一螺紋柱和該第二螺紋柱的該至少一者實體地耦合。在一些例子中，該校平調整系統進一步包括一第三柱，其建構成一不可調整的環架(gimbal)附裝件。在一些例子中，該校平調整系統進一步包括：一第三螺紋柱；及一測力器，該第三螺紋柱可被插入穿過該測力器。在一些這種例子中：該設備進一步包括一附裝板，其可操作地和該第一螺紋柱及該第二螺紋柱耦合且被建構來將來自該上塊體組件的負荷分散到該第一螺紋柱和該第二螺紋柱；且該校平調整系統進一步包括一環架襯套，其被設置在該測力器和該附裝板之間且該第三螺紋柱被插入穿過該環架襯套。在一些此種例子中：該校平調整系統進一步包括一蓋子，其被設置在該第三螺紋柱上且被建構來接納一緊固件，使得該緊固件和該第三螺紋柱實體地耦合。
在一些例子中，該上塊體組件進一步包括：一夾頭，其被建構來提供該第二表面，該第二表面被建構成在施加接合壓力於該至少一半導體晶圓上時將和該第一表面接觸；及一反作用力板(reaction plate)，其被設置在該夾頭之上被建構來減小該上塊體組件的變形，該反作用力板包括：一單片式(monolithic)板件；及多個同心的溝槽，其被界定在該單片式板件上且被建構來接納相應的多個密封件；且該設備進一步包括多個埠口，其被建構來將加壓氣體輸送至該反作用力板的多個區域。在一些此種例子中，該反作用力板的該等多個同心的溝槽包括：一第一溝 槽；一第二溝槽，其在該第一溝槽的同心的外部；一第三溝槽，其在該第二溝槽的同心的外部；一第四溝槽，其在該第三溝槽的同心的外部；以及多個埠口，其被建構來將加壓氣體輸送至該反作用力板的該等多個區域，使得在接合4英吋直徑的半導體晶圓時，加壓氣體被施加至一介於該第一溝槽和該第二溝槽之間的第一區域；在接合6英吋直徑的半導體晶圓時，加壓氣體被施加至該第一區域及一介於該第二溝槽和該第三溝槽之間的第二區域；及在接合8英吋直徑的半導體晶圓時，加壓氣體被施加至該第一區域、該第二區域、及一介於該第三溝槽和該第四溝槽之間的第三區域。在一些其它這種例子中，該反作用力板具有一界定於其內的切除部分，其被建構來允許該反作用力板在該處撓曲。
在一些例子中，該上塊體組件進一步包括一設置在該反作用力板和該夾頭之間的隔熱板。在一些此種例子中，該隔熱板包括多個楔形件，它們被彼此實體地地分開且被建構來相對於彼此移動。在一些此種例子中，該等多個楔形件被建構成以頂點(vertices)指向一共同的圓心的方式被配置成一圓的形式。在一些其它的這種例子中，該等楔形件的至少一者包括多個由其表面延伸出的突起的凸出物，該等突起的凸出物在該表面上到處彼此間隔開。在一些其它的這種例子中，該等楔形件的至少一者構成一單片式元件。在一些其它的這種例子中，該等楔形件的至少一者構成一多片式元件，其包括：一下板部分；及一上 板部分，其被建構成設置在該下板部分之上且可操作地與該下板部分耦合，使得真空可被保持在一被界定在該下板部分和該上板部分之間的空隙中。在一些此種例子中，該下板部分包括多個突起的凸出物，其被設置在該下板部分的內表面上且在界定於該下板部分和該上板部分之間的該空隙內朝向上該上板部分延伸，該等突起的凸出物在該下板部分的該內表面上到處彼此間隔開。在一些例子中，該隔熱板包括：一下板部分；及一上板部分，其被建構成設置在該下板部分之上且可操作地與該下板部分耦合，使得真空可被保持在一被界定在該下板部分和該上板部分之間的空隙中。在一些此種例子中，該下板部分包括多個突起的凸出物，其被設置在該下板部分的內表面上且在界定於該下板部分和該上板部分之間的該空隙內朝向上該上板部分延伸，該等突起的凸出物在該下板部分的該內表面上到處彼此間隔開。在一些其它的此種例子中，該下板部分和該上板部分的至少一者構成單片式元件。在一些例子中，該隔熱板被建構來提供約50微米或更小的服貼撓曲(compliance deflection)。在一些例子中，該校平調整系統進一步包括至少一測力器，該第一螺紋柱和該第二螺紋柱的至少一者被插入穿過該測力器。
揭露於本文中的特徵和優點並非是全包式(all-inclusive)，尤其是，許多額外的特徵和優點在熟習此技藝者參考圖式、說明書、及申請專利範圍之後將會變得很明顯。此外，應指出的是，使用於本說明書中的語言原 則上係為了易讀性及介紹的目的，而不是為了限制發明主體的範圍的目的來加以選擇。
300‧‧‧晶圓接合系統
310‧‧‧第一晶圓
312‧‧‧接合層
310a‧‧‧第一表面
320‧‧‧第二晶圓
322‧‧‧接合層
320a‧‧‧第一表面
350‧‧‧力
310b‧‧‧第二表面
302‧‧‧晶圓堆
320b‧‧‧第二表面
305‧‧‧接合界面
301‧‧‧中心區
302‧‧‧第一球形區
303‧‧‧另一球形區
304‧‧‧區域
306‧‧‧中心區域
307‧‧‧邊緣區域
308‧‧‧區域
309‧‧‧區域
311‧‧‧區域
400‧‧‧晶圓接合系統
410‧‧‧第一晶圓
412‧‧‧接合層
410a‧‧‧第一表面
420‧‧‧第二晶圓
422‧‧‧接合層
420a‧‧‧第一表面
450‧‧‧力柱
410b‧‧‧第二表面
420b‧‧‧第二表面
405‧‧‧接合界面
401‧‧‧層
402‧‧‧層
403‧‧‧層
404‧‧‧均勻壓力區
10‧‧‧接合設備
20‧‧‧上塊體組件
21‧‧‧夾頭
22‧‧‧下塊體組件
430‧‧‧晶圓堆
56‧‧‧底板
53‧‧‧頂板
42‧‧‧柱
23S‧‧‧晶圓承載表面
16‧‧‧結構骨架
12‧‧‧室
82‧‧‧校平系統
21S‧‧‧晶圓承載表面
70‧‧‧真空隔離系統
72‧‧‧真空隔離系統
30‧‧‧加熱器
32‧‧‧加熱器
32B‧‧‧第一加熱區
32A‧‧‧第二加熱區
14‧‧‧進出埠口
161‧‧‧渦輪幫浦系統
24‧‧‧載具夾具
15‧‧‧預先裝載的室
282a‧‧‧間隔片和夾鉗組件
282b‧‧‧間隔片和夾鉗組件
282c‧‧‧間隔片和夾鉗組件
284‧‧‧間隔片
286‧‧‧夾鉗
283‧‧‧線性致動器
285‧‧‧線性致動器
290‧‧‧中心銷
460‧‧‧力柱
100‧‧‧z驅動器
22M‧‧‧活動部分
16‧‧‧殼
18‧‧‧底座結構
40‧‧‧骨架
46‧‧‧附裝板
44E‧‧‧嚙合件
44‧‧‧連接件
53‧‧‧跨距結構(跨距件)
56‧‧‧底座結構
56S‧‧‧跨距結構
56T‧‧‧支撐座
36‧‧‧凸緣
22B‧‧‧底座區段
52‧‧‧作動器
54‧‧‧活動板件
55‧‧‧底座件
58‧‧‧表面
54F‧‧‧壓力面表面
295‧‧‧壓力計
84‧‧‧直線導引部分
86‧‧‧旋轉導引部分(環架)
85‧‧‧中心部分
84R‧‧‧導引桿
84B‧‧‧線性軸承組件
52B‧‧‧伸縮囊密封件
52Z1‧‧‧區域密封件
52Z2‧‧‧區域密封件
78‧‧‧板子
76‧‧‧隔膜
78S‧‧‧表面
53B‧‧‧伸縮囊密封件
59‧‧‧預加載的塊體
102‧‧‧連接區段
103‧‧‧底座件的一端
102w‧‧‧壁
106‧‧‧凸緣
51‧‧‧底座件
2101‧‧‧螺紋柱
2102‧‧‧調整軸套
2110‧‧‧校平套筒
2105‧‧‧預加載彈簧
2104‧‧‧六角螺栓
2103‧‧‧上間隔片擋止件
2106‧‧‧夾鉗
2111‧‧‧肩部
2112‧‧‧六角肩部螺栓
2201‧‧‧游標尺記號
2202‧‧‧游標尺記號
2301‧‧‧測力器
2302‧‧‧蓋子
34‧‧‧支撐凸緣
36‧‧‧凸緣
2401‧‧‧反作用力板
2402‧‧‧密封件
2403‧‧‧密封件
2404‧‧‧密封件
2405‧‧‧密封件
2406‧‧‧密封件
2407‧‧‧密封件
2408‧‧‧通氣孔
2409‧‧‧彎曲部
2410‧‧‧蓋子
2478‧‧‧熱屏
2470‧‧‧隔熱板
2671‧‧‧餡餅形楔形件
2771‧‧‧上部
2772‧‧‧下部
480‧‧‧傳送裝置
2303‧‧‧環架襯套
參考圖式，其中相同的標號代表在所有數個視圖中的相同元件：圖1是先前技術的晶圓接合系統的示意圖；圖2A是有限元素分析結果，其顯示沿著圖1的前技術的晶圓接合系統的接合界面的位移；圖2B是有限元素分析結果，其顯示沿著圖1的前技術的晶圓接合系統的接合界面的Von Mises應力；圖3是晶圓接合系統的示意圖；圖4A是有限元素分析結果，其顯示沿著圖3的前技術的晶圓接合系統的接合界面的位移；圖4B是有限元素分析結果，其顯示沿著圖3的前技術的晶圓接合系統的接合界面的Von Mises應力；圖5是晶圓接合系統的另一實施例的示意圖；圖6是一晶圓接合設備的示意剖面圖；圖7是晶圓接合設備的立體圖；圖8是圖7的晶圓接合設備的剖面圖；圖9A是圖8的晶圓接合設備的剖面圖，其包括一晶圓輸送夾具；圖9B是圖9A的上塊體組件的一部分的詳細剖面圖； 圖10是圖9的晶圓接合設備的剖面圖，其中，晶圓和上及下塊體組件接觸(近接位置)；圖11是圖10的晶圓接合設備的的詳細剖面圖；圖12是圖8的晶圓接合設備的的詳細剖面圖，其包括上及下組件的剖面圖；圖13是圖8的晶圓接合設備中的對準系統的一實施例的詳細剖面圖；圖14A是圖8的晶圓接合設備的的隔熱板的詳細剖面圖；圖14B是圖14A的區域A的示意剖面圖；圖15是圖8的上塊體組件的一部分的詳細剖面圖；圖16是晶圓載具夾具和晶圓裝載系統的立體圖；圖17A是該晶圓載具夾具的上視立體圖；圖17B是圖17A的晶圓載具夾具內的晶圓間隔片及夾持系統的細部圖；圖18是晶圓加熱器系統的示意圖；圖19是晶圓加熱器系統和隔熱系統的分解圖；及圖20是晶圓接合系統的另一實施例的剖面圖。
圖21是一校平機構的剖面圖。
圖22是圖21的校平機構的立體圖。
圖23是一和該校平機構一起使用的環架座的剖面圖。
圖24是反作用力板和相關的構件的剖面圖。
圖25是圖24的反作用力板的切開的立體圖。
圖26是一由多個楔形區段所構成的隔熱板的立體圖。
圖27是兩件式隔熱板的立體圖。
實施例的這些及其它的特徵在和本案中所揭示的圖式一起閱讀下面的詳細描述後將有更好的瞭解。在圖式中，在不同的圖中被示出的每一相同或近似的構件可用相同的標號來代表。為了清楚的目的，並不是每一構件在每一圖中都被標示。此外，藉由此揭露內容將被瞭解的是，附圖並不是按照比例來繪製，也不是要將被描述的實施例侷限於所示的特定的構造。
參考圖1，在先前技術的晶圓接合系統300中，一在其第一表面310a上具有一接合層312的第一晶圓310和一在其第一表面320a上具有一接合層322的第二晶圓320相接觸，使得兩個接合層312和322彼此相對。晶圓接合處理包含了藉由施加一力350於該第一晶圓310的一第二表面310b上來將兩片晶圓壓在一起。力350通常是用一活塞式機構來施加至晶圓堆302的中心，如圖1所示。在其它實施例中，力350可被施加至在晶圓堆302的周邊上或一第二力可和一力350同時被施加在該第二晶圓320的第二表面320b上。沿著接合界面305的位移的有限元素分析(FEA)被示於圖2A中。吾人觀察到在被施加力350的中心區301的正下方有一“熱壓力點”的 形成。在該中心區301的正下方的一第一球形區域302具有30微米的等級的位移。在區域302的正下方的是另一球形區域303其位移的等級是2-3微米且在區域303的正下方的是區域304其位移的範圍是1微米。該‘“熱壓力點”的球形前端向下推進至該接合界面305並造成中心區域306比邊緣區域307更被碗形化。如吾人於上文中提到的，在整個接合表面上的壓力不均勻度可高達50%。FEA的Von Mises應力被顯示在圖2B中。吾人再次觀察到的是，一球形應力前端向下推進至該接合界面305，其在該接合界面造成中心區域306和周邊區域307之間的應力差異。區域308，309及311分別具有100安全係數(FOS)等級、50 FOS、及10FOS等級的應力。
參考圖3，在一晶圓接合系統400中，一具有第一表面410a的第一晶圓410和一具有一第一表面420a的第二晶圓420接觸，使得這兩個表面410a，420a彼此相對。晶圓接合處理包含了藉由施加“力柱”450於該第一晶圓410的一第二表面410b上來將兩片晶圓壓在一起。力柱450包括多個力，其被安排成一柱狀，其具有一用來涵蓋該第一半導體晶圓410的整個第二表面410b的底部尺寸且被建構來施加一均勻的壓力於第一晶圓410的整個第二表面410b並傳遞一均勻的壓力至該晶圓堆302的接合界面405上。在其它實施例中，一第二力柱460可和該第一力柱450同時被施加於該第二晶圓420的第二表面420b上，如圖5所示。在一例子中，力柱450是一加 壓氣體柱且施加100kN等級的力於一200mm的晶圓上，這產生了一約32000mbar的壓力。沿著該接合界面405的位移和Von Mises應力的有限元素分析分別被示於圖4A及4B中。吾人觀察到具有均勻位移的層401，402及403，以及在該接合界面405的中心區域406和周邊區域407之間沒有差異的均勻壓力區域404。在一些實施例中，表面410a，420a分別具有接合層412，422，其被建構來促進這兩個晶圓表面410a，420a之間一特定種類的接合。接合層412，422可以是網格結構、金屬、玻璃、半導體結構、絕緣體、整合的裝置、黏著劑、或任其它促進接合的材料或結構。該系統被設計來實施任何所想要的基材接合處理，其包括用於晶圓對晶圓之陽極接合處理、共晶(eutectic)接合處理、黏著劑接合處理、熔融接合處理、玻璃熔料(glass frit)接合處理、及熱壓接合處理。因此，該系統具有用於控制接合操作參數(其包括基材溫度、接合壓力、及室氛圍、等等)之適當的控制。在其它實施例中，系統400被用來接合任何種類的半導體結構或材料，其包括平板結構、積體電路裝置、微電子元件的3D整合、及微機電系統(MEMS)的封裝、等等。
參考圖6-14，接合設備10大致上如一夾鉗般地操作。設備10具有相對的夾塊，其在此實施例中為一上塊體組件20和一相對的下塊體組件22。該下塊體組件22具有一夾頭21，用來固持或以其它方式接納一或多片晶圓於其上。一或多片晶圓410，420的一或多個晶圓堆 430如圖3所示地被放置在該設備10的該晶圓夾頭21上。該下塊體組件22被一底板56所支撐，該上塊體組件20被一頂板53支撐。該底板56和該頂板53被可移動地連接至柱42。在此實施例中，該下塊體組件22和該底板56延著Z軸向上移動，用以將晶圓堆實質地接觸或幾乎接觸該上塊體組件20的承載表面23S。當達到此近接位置時，底板56、頂板53、和上塊體組件20的位置被固定，且該下塊體組件22沿著箭頭P1的方向被向上朝向該上塊體組件20移動，用以施加以所想要的高接合壓力於該晶圓堆430上。在一例子中，該所想要的接合壓力在200mm的晶圓堆上是100kN或在300mm的晶圓堆上是225kN。在其它實施例中，該上塊體組件20或該上塊體組件20與該下塊體組件22這兩者被一起移動以施加該所想要的高接合壓力於晶圓堆430上並實施界接晶圓表面410a和420a之間的接合。該上塊體組件20和該下塊體組件22傳遞實質均勻的高接合壓力(即，沒有實質的壓力差異)於該晶圓接合界面405的整個面積上且在該界面沒有造成任何實質的剪應力(如，在晶圓接合界面處實質零剪應力)，這將於下文中詳細說明。造成上述的接合壓力的在該上塊體組件20和該下塊體組件22內的負荷分佈是在各別負荷承受件內實質真實的柱負荷(column loading)，其實質地消除了會在該上及下塊體組件20，22內部以及該設備10的其它部分的內部撓曲的負荷偏心度及彎曲力矩。負荷均勻性及可重復性是由該設備10的結構骨架16 來提供，該結構骨架實質地繞過該室殼體12以作為該設備10的負荷承受件。在該接合界面405上的負荷均勻性進一步被該設備10用一校平系統82來建立，其將該上塊體組件20和該下塊體組件22的晶圓承載表面23S，21S分別保持實質水平或彼此平行並確保接合力被該上塊體組件20和該下塊體組件22實質垂直於該晶圓堆430的接合界面405地施加。而且，如將於下文中進一步描述地，該上塊體組件20和該下塊體組件22在示範性實施例中分別包括加熱器30，32(或用於晶圓接觸表面23S，21S的熱循環的熱循環器)，其分別被承受負荷的(load-bearing)真空隔離系統70，72將其與設備結構熱隔離。在消除不想要的熱滲漏並減少(具有相稱的快速循環時間效能之)被熱循環的部分的熱質量(及熱慣量)但仍能夠支撐所想要的負荷(如，在示範性實例中的接合壓力負荷)的同時，該承受負荷的真空隔離系統70，72提供最佳的熱隔離效能。在一些實施例中，加熱器30，32可具有多於一個的加熱區域。參考圖18，加熱器32包括一第一加熱區32B其被建構來加熱晶圓的中心區域及一第二加熱區32A其被建構來加熱晶圓的周邊區域。加熱區32A和加熱區32B係被彼此獨立地控制，用以在整個接合界面405達成熱均勻度並降低在晶圓堆邊緣的熱損失。
設備10能夠接合任何適合的類型或尺寸的晶圓或基材410，420。例如，基材410，420可以是100mm、200mm、300mm直徑的半導體基材。在圖3所示 的實施例中，晶圓410，420彼此實質相似。在其它實施例中，晶圓堆430可包含不同類型或不同尺寸的晶圓。晶圓堆430在圖3中為了舉例的目的而被顯示為具有兩個晶圓410，420。可被瞭解的是，晶圓堆430可包括想要被接合在一起之任何數量的晶圓。被接合的表面410a，410b可分別包括接合層412及422，且接合層412，422可以是金屬、網隔結構、半導體結構、絕緣體、黏著劑、或玻璃、等等。
仍參考圖6-14，且更詳細地，接合設備10包括一室12。該室12是閉合的或以其它方式被建構成具有一受控制的氛圍(譬如，鈍氣氛圍)、或被一渦輪幫浦系統161保持在真空條件下，如圖7所示。在其它實施例中，該設備可不包括一室。如圖7中所見，室12包括一進出埠口14。該進出埠口14的大小被作成可允許一載具夾具24被放入該室12或從該室12取出，如圖9所示。在一些實施例中，一預先裝載的室15透過該埠口14和該室12相連通，如圖7所示。埠口14有一門(未示出)用來在有需要的時候關閉該埠口。為了要將晶圓堆載入被抽空的室12，首先，該埠口的門被關閉，且具有被預先對齊的晶圓410，420的載具夾具24被放入該預先裝載的室15內。接下來，該預先裝載的室15被抽空，然後該埠口的門被打開且具有被預先對齊的晶圓410，420的載具夾具24被置於室12中。該埠口的門再次被關上。為了取出被結合的晶圓，該被預裝載的室15被抽空，然後該埠的門 被打開，且具有被結合的晶圓410，420的載具夾具24從該室12被取出，且該埠口的門再次被關閉。載具夾具24固持之前被對齊的晶圓堆430。一可自動地或以其它方式手動地操作的傳送裝置480(譬如，一傳送臂或滑板)被用來將該載具夾具24移動進出該室12，如圖16所示。在圖17A所示的一實施例中，該載具夾具24是一圓形環280且包括三個間隔片(spacer)和夾鉗組件282a，282b，282c，其以相隔約120度的方式被對稱地配置在該圓形環的周邊。每一間隔片和夾鉗組件282a，282b，282c包括一間隔片284和一夾鉗286。間隔片284建構來將第一和第二晶圓410，420設定一預定的距離。為了要在兩個晶圓之間設定不同的間距，可選擇具有不同厚度的間隔片。當間隔片被插入到晶圓之間，該夾鉗被向下夾，用以將兩片晶圓的位置鎖定。每一間隔片284和每一夾鉗286分別被線性致動器283及285獨立地作動。為了該接合處理，該被對齊的晶圓410，420被置於該載具夾具24內且被間隔片284間隔開，然後被夾鉗286向下夾。具有該被夾的晶圓的該夾具被插入到該接合室12內，然後每一夾鉗一次被鬆開一個夾鉗、間隔片被取出、然後再被夾緊。當所有間隔片被取出時，該等晶圓再被夾緊，且該兩個晶圓被一氣動地控制的中心銷290堆疊在一起，然後力柱460被施加以實施該接合處理。該等晶圓係用一可自動地或手動地調整的力將其堆疊在一起。
如圖8所示，該上塊體組件20及/或該下塊體 組件22的至少一者被可移動地保持在該室12內，在圖8所示的實施例中，該上塊體組件20和該相對的下塊體組件22被顯示成垂直夾鉗的構造。在其它實施例中，相對的該上塊體組件20和該下塊體組件22可被配置成包括水平夾鉗構造在內的任何其它想要的夾鉗方向。在該示範性實施例中，該上塊體組件20被固定，且該下塊體組件22可沿著箭頭P1的分向移動，如圖6所示。該下塊體組件22和該底部支撐板56亦如同一單元般地沿著Z方向(圖6所示)被一適當的裝置100(其在本文中被稱為一z驅動器100)移動。在該示範性實施例中，該下塊體組件22具有一活動部分22M，它可獨立於該z驅動器100之外地被一適當的致動器52移動於箭頭P1所示的方向上，這將於下文中詳細討論。在該等示範性實施例中，該z驅動器100提供該下塊體組件22和該底部支撐板56總移動(gross motion)，且該致動器52移動該下塊體組件22的該活動部分22M以進行接合。在其它實施例中，z驅動器100將該上塊體組件20向下移動於和該被顯示的Z方向相反的方向上。該上塊體組件20和該下塊體組件22具有相應的安置表面(seating surface)23S，21S。該上及下塊體組件20，22以及安置表面23S，21S被作成所需要的大小以產生適當的接合壓力於晶圓堆上。如之前提到的且將於下文中描述的，安置表面23S，21S具有熱控制(即，可被加熱及/或被冷卻)。該熱控制是由任何適合的熱控制器來提供。在一例子中，安置表面23S，21S是用適合的硬材料 (譬如，碳化矽(SiC))製成。
現參考圖7及圖8，該室12大致上包含一外殼或殼16，它被實質地封閉用以將室內部與外界隔離。在該被示出的示範性實施例中，該殼16大致上是環形，但在其它實施例中，殼可具有任何想要的形狀。該室殼16被一骨架或支撐架40支撐在一所想要的底座或基座結構18之上。該底座結構18是任何所想要的類型及形狀且為了舉例的目的而被顯示為一位在該室12底下的實質扁平的板子18。該底座結構18是實質堅硬的且在其它實施例中可具有任何想要的尺寸、形狀、及相對於該室的位置。該設備10的該骨架結構40具有實質硬的構件，其被附裝至該殼16且和該底座結構18接合以承載該殼16。該骨架結構40亦被附裝至該設備10的該上塊體組件20和該下塊體組件22，使得在施加該接合力的期間，在該上塊體組件20和該下塊體組件22上的反作用力被分散至該骨架結構40而不是該室殼16。在該示範性實施例中，該骨架40實質上是一位在該室16外面的外框架。在其它實施例中，該骨架40可以如所需要地是一位在該室內部的內框架。在該示範性實施例中，該骨架40包含實質上硬的柱42(為了舉例的目的而有三個柱被示出，但任何所想要的數量都可被使用)。柱42的一端被固定至該底座結構18。該等柱42被實質相等地散佈在該殼16的周圍。為了所想要的剛性，該等柱42的大小和形狀可如所需地加以選擇。該骨架40亦可包括一上附裝板46。如可在圖 7中看得最清楚地，該附裝板46係用任何想要的附裝機構(譬如，熔接、硬焊、或機械式緊固件)而被附裝至殼16。在其它實施例中，該殼16和附裝板46可被形成為單一元件。該附裝板46是一實質硬的元件。該附裝板46的硬度大致上和該骨架40的其它部分(包括柱42在內)的硬度相稱，其至少回應該接合壓機施加於其上的反作用力負荷(reaction load)。在其它實施例中，將該殼16和該室12內部的其它接合壓機構件附裝至該骨架的該附裝板46可具有任何其它想要的形狀。如圖8中所見，柱42的另一端被附裝至該附裝板46。介於每一柱42和附裝板46之間的連接件44可以是雙向的、能夠沿著柱42的軸支撐朝向及遠離該底板18的軸向負荷。每一柱的連接件44可(沿著柱的軸上、下地)調整以確保在來自該室和設備構件的靜態負荷和在接合處理期間的靜態和動態負荷之下每一柱42皆實質均勻地承重。在該示範性實施例中，該連接件44在和該附裝板46界接的相反側上係大致地對稱。該連接件44可包括嚙合件44E(例如，螺紋臂)其(例如藉由正的嚙合表面或夾鉗)與柱42嚙合且具有一用來承受來自該附裝板的負荷的承受表面。該連接件44可包括承受件，用以確保來自該附裝板的負荷均勻地分佈在嚙合件44E的承受表面上。在其它實施例中，承受該室外殼及接合壓機之介於柱42和骨架40及附裝板46之間的連接件可具有任何適合的構造。在該示範性實施例中，該連接件44可被預先裝載(如，藉由旋轉嚙合件44E)，用以排除在 接合操作期間的任何不想要的柱42的位移。
如圖8中所見且如之前提到的，在該示範性實施例中，該上塊體組件20和該下塊體組件22被附裝置該骨架40。該上塊體組件20被一跨距支撐結構53附裝至該骨架40，這將於下文中詳細說明。來自該上塊體組件20的靜態及動態負荷(其包括接合負荷在內)被該跨距結構53實質上整個承受且透過該附裝板46而被該跨距結構53分佈至柱42上。該下塊體組件22透過一底座結構56而被附裝至柱42。在所示的該示範性實施例中，該底座結構56大致上具有一跨距結構(span)56S及一阻擋支撐座56T。在其它實施例中，支撐該下塊體組件的座結構可具有任何其它所想要的構造。在該示範性實施例中，該跨距結構56S被顯示成例如一板子，但可具有任何其它所想要的形式，且藉由線性滑件43而被附裝至柱42。因此，在該示範性實施例中，該底座結構56和該下塊體組件22能夠移動在箭頭z所標示的方向上(z方向上)。柱42可用作為下塊體組件z方向運動的引導件。在圖8所示的該示範性實施例中，z驅動器100(它可以是任何適合的驅動器(如，電動的線性驅動件器、氣動式驅動器、或液壓式驅動器等等))被連接至該跨距結構56S且可將該底座結構56和該下塊體組件22當作一個整體移動於該z方向上。該z驅動器100可被附裝至底座結構18。如圖8中所見，該支撐座56T被連接至該下塊體組件22。在該示範性實施例中，該支撐座56T大致上延伸至該殼16內。一介於該 殼16(在此例子中，其被顯示為該殼的圍板16P)和該支撐座56T之間的伸縮囊式密封件16S將該室的內部隔絕並容納該底座結構56和該下塊體組件22的z方向運動。示於圖8中的該底座結構56只是示範性質，且在其它實施例中，該結構可具有任何所想要的構造。在該範性的實施例中，該底座結構56具有一底座表面58，它和該下塊體組件22的底部嚙合。
如圖8中所見，該下塊體組件大致上包括一具有晶圓支撐表面21S的夾頭21、一加熱器(或熱循環器)32、及凸緣36。該加熱器32被該凸緣36所支撐。該加熱器32和該凸緣36被一承受負荷的真空絕緣系統72(其將於下文中進一步描述)熱隔絕。該凸緣36被一熱調節器(如，一水冷式系統)保持在一所想要的穩態溫度。該夾頭21被連接至該加熱器32，使得該晶圓支撐表面21S以及位於其上的晶圓被該加熱器32加熱。該夾頭21、加熱器32及凸緣36形成該下塊體組件22的活動區段22M。該活動區段22M可相對於該下塊體組件22的底座區段22B移動於方向P1上，如圖9所示。在該示範性的實施例中，該下塊體組件22包括一作動器52，其獨立於該z驅動運動之外地作動該活動區段22M，並產生一實質地分散於該下塊體組件22的整個承受表面21S的力柱。在該示範性的實施例中，該作動器52被加壓氣體驅動，但在其它實施例中，該作動器可被能夠產生一實質均勻地分佈於整個晶圓承載表面上的力柱的液壓機構或磁性 機構驅動。在圖8所示的該示範性實施例中，該作動器52具有一活動的板件54及一底座件或反作用力件55。在此實施例中，該底座件55係固定不動地座落在該底座結構56的表面58上。伸縮囊式密封件52B將該作動器52的板件54和底座件55接合起來並將該作動器與室內部隔離，如圖13所示。可被瞭解的是，一所想要的氣體(如，乾淨的空氣或鈍氣，譬如氮氣，N2)為了作動而被導入到該板件54和該底座件55之間。該氣體的壓力被控制以達到用來接合該晶圓堆之所想要的壓力(如，在200mm晶圓上約100kN；在300mm晶圓上約225kN)。在該示範性實施例中的該板件54具有一壓力面表面54F，它和該夾頭21的該晶圓支撐表面21S實質相似(如，在形狀和大小上實質相似)且與之平行地對準，用以提供用於施加負荷之實質均勻的力柱於該板件表面54F和該晶圓支撐表面21S之間，該力柱係實質垂直於該晶圓支撐表面的平面。該接合壓力係用一壓力計295來監視，如圖13所示。在一些實施例中，該壓力面表面54F的大小可用一手動的或自動化的機構來調整，用以容納不同尺寸的晶圓。可被瞭解的是，該作動器施加在該晶圓支撐表面上的負荷的垂直性可藉由控制該壓力面表面和該晶圓支撐表面的平面度和平行度來輕鬆地達成。
如圖9中所見，在該示範性實施例中的該下塊體組件22亦包括一校平系統82，用來校平該下塊體組件22的該晶圓支撐表面21S和該上塊體組件20的晶圓安 置表面23S。在該示範性實施例中，該板件54和該下塊體組件22的該活動區段22M相對於該底座55騎在一層氣體上且在位置上與該底座55脫離，但被該校平系統82控制時除外。在該示範性實施例中，該校平系統82包括一直線導引部分84和一旋轉導引或環架部分86，如圖12所示。該直線導引部分84該活動區段22M的運動，使得該晶圓支撐表面21S實質軸向地移動於箭頭P1所示的方向上(沒有任何側向平移)。該旋轉導引部分86引導該活動區段22M的運動，使得該晶圓支撐表面21S可繞著一對應於該晶圓接合界面405的中心的中心部分85(見於圖10中)轉動及/或傾斜而沒有平移。該校平系統82可如所需地自主地/自動地或可以是手動地操作。在該示範性實施例中，該直線導引部分84包括一導引桿84R，其被可活動地支撐在一線性軸承組件84B內，如圖13所示。該導引桿84R如圖13所示被連接至該板件54。在其它實施例中，該直線導引部分84可具有任何其它所想要的構造。如圖13中所見，在該示範性實施例中，該線性軸承組件84B和環架86(其由一半球形軸承組件所界定)相匹配。該半球形軸承表面半徑從該接合界面中心85延伸出。該環架86可被附裝至該支撐座56T。在其它實施例中，該環架部分可具有任何其它所想要的構造。在另外其它替代實施例中，該直線導引部分或環架部分可被匹配成任何其它所想要的配置。如圖13所見，該校平系統82被放置成使得該直線導引部分84和環架部分86在接合作業 期間沒有被該下塊體組件22的該作動器52或任何其它部分施加負荷。在該示範性實施例中，該環架部分86被預先加載(preload)用以將該承受表面鎖定或解鎖定。預先加載可用任何所想要的預先加載系統類型(譬如，例如，氣動式、液壓式、機械式或機電式類型)將壓力施加至該承受表面來達成。該預先加載系統可用一適當的控制器(未示出)來控制或可被設定至一所想要的鎖定極限值。該校平系統82可實施該下塊體組件相對於該上塊體組件的動態校平。這可消除當該上及下塊體組件不平行時或該晶圓堆被作成楔形時會發生之過度限制(over-constrained)的情形。該軸承本身不承受接合負荷，且該轉動的中心是位在晶圓平面，使得發生的任何轉動都將不會產生晶圓移位。
參考圖20，在另一實施例中，該校平系統82被設置來肩負起該作動器52的負荷及承受該接合負荷。該環架部分86被設置在該固定的板55底下並支撐該固定的板55、該活動的板54、及位在上面的該凸緣36、該隔熱系統72、加熱器32、夾頭21、及晶圓(未示出)。在此實施例中，該被施加的力柱的基部的大小被調整以容納不同尺寸的晶圓。該固定的板55在邊緣處用伸縮囊密封件52B且在可選擇的中間位置用活塞或密封件52Z1及52Z2封至該活動的板54。伸縮囊密封件52B和中間區域密封件52Z1，52Z2的密封位置係根據晶圓堆需要被接合的大小來選擇並決定該被施加的力柱的基部面積。加壓氣體充入介於該等被選擇的密封件之間的被密封的區域。在一例 子中，在邊緣處的伸縮囊密封件52B的位置被選擇以接合8英吋晶圓、區域密封件52Z1用於接合6英吋晶圓、及區域密封件52Z2用於接合4英吋晶圓。
現亦參考圖14，如之前提到的，該上塊體組件具有一隔熱系統72，其將該加熱器32和支撐該加熱器的該塊體組件的相匹配的部分熱隔離。亦如之前提到的，在該示範性實施例中，該隔熱系統是承受負荷的真空隔離系統。如圖13所見，該隔熱系統72被設置成橫跨從該作動器52到該晶圓支撐表面21S的加載路徑。因此，該隔熱系統72支撐該等接合壓力負荷。如圖14中所見，該系統72大致上包含一承受負荷的真空層，其被界定在一板子78和一隔膜76之間。該隔膜76透過該負荷承受區域外面的伸縮囊74而被連接至板子78。該隔膜76可用任何適合的材料製造(譬如，INCONELTM)，且可用任何適合的方式(譬如，例如藉由焊接)而被連接至伸縮囊74的開口端。如圖14中所見，伸縮囊74係位在該塊體組件的承受負荷的部分的外面，且該隔膜76係被設置在該承受負荷的部分內。該隔膜76被該板子78支撐，該板子包含具有低熱膨脹係數(CTE)的材料。在一例子中，板子78是用Schott AG所製造的ZERODUR®玻璃陶瓷來製造。板子78具有一表面78S，其被形成為和該隔膜76接觸面積最小但具有足夠的強度來承受接合期間的壓擠負荷，如圖15所示。此結構72被持續地排空以將熱傳遞最小化。如上文中提到的，表面78S例如是藉由機械加工或其它適合 的製造處理來製造，用以將和該隔膜76的接觸面積最小化，並因此提供有限的且不佳的熱接觸面積於該隔膜76和該低CTE材料層78之間。可被瞭解的是，該層78的低CTE材料亦可具有一不佳的導熱係數。在示於圖15的該示範性實施例中，該接觸表面78S具有和該隔膜76接觸之突起的凸出物。該等凸出物被示意地示於圖15中且可具有任何適合的形狀。例如，該等凸出物可具有一截面，其漸窄至接觸該隔膜。該等凸出物的數量和大小可以如所想要的數量及大小，用以達成所想要的跨隔膜/低CTE材料層界面的負荷能力及導熱特性。可被瞭解的是，該隔熱系統72所提供的熱中斷(thermal break)允許該加熱器32、夾頭21、及晶圓堆430的快速熱循環。
再次參考圖8，在該示範性實施例中，上塊體組件20大致上類似之前所述的下塊體組件22。在該示範性實施例中，該上塊體組件提供用於晶圓堆的控制校平表面，且如前面所述地，該校平系統82操作用以將該下塊體組件的晶圓支撐表面21S相對於該上塊體組件的晶圓支撐表面23S校平。在替代的實施例中，該上塊體組件20可具有一整合的校平系統。在此實施例中，該上塊體組件20是不可移動的。在其它實施例中，和下塊體組件22類似地，上塊體組件20可具有一活動部分20M，其具有夾頭23、加熱器30、及支撐凸緣34(類似下塊體組件的加熱器32及凸緣36)，其被作動器50作動於箭頭P1所示的方向上。如圖8中所見，在該示範性實施例中，一類似於之 前描述的系統72之承受負荷的真空隔熱系統70界定一介於加熱器30和凸緣34之間的熱中斷。在該替代的實施例中，該作動器50可類似於作動器52。該作動器50可具有一板件57及反作用力件或底座件55，其藉由伸縮囊密封件53B接合至該板件，如圖16所示。在該示範性實施例中，該伸縮囊密封件53B被建構來在靜態條件下從該底座件55支撐該活動部分20M。用來在靜態條件期間對該伸縮囊密封件53B預加載的預加載塊體59可被提供，用以在作動器作業期間提供更好的板件位移控制(如，預加載塊體抵抗在該伸縮囊密封件內肇因於該上塊體組件的該活動部分的重量的彈性力)。如圖8中所見，在該示範性實施例中，該作動器的底座件51被連接區段102連接至跨距件53且被其所支撐。連接區段102在z軸方向上是實質剛硬的，用以傳遞z負荷於該底座件51和該跨距件53之間而沒有任何實質的伸長量。在接合處理期間，該連接區段102表現如同一被固定不能動的連接件，因而不能傳遞接合力矩。在圖8所示的該示範性實施例中，該連接區段102包括一環狀殼或壁102w，其一端103被接合至該底座件55。該壁102w具有一凸緣106，其延伸在壁102w和跨距件53之間並將壁102w連接至跨距件53。凸緣106可和壁102w或和跨距件53形成為一體。在介於該凸緣106和該跨距件53之間的界面處，該凸緣的厚度和該跨距件的厚度相近。如果該凸緣106和該跨距件53被一體地形成的話，則該凸緣106以任何想要的方式(如， 藉由焊接)被結合至該壁102w，反之亦然。該凸緣106係用來將該壁102w和該跨距件53偏位開來，藉以減低該壁102w與該跨距件53的接合點的撓曲剛性並使得該壁102w實質上無法傳遞接合負荷於該作動器底座件51和該跨距件53之間。可被瞭解的是，這讓該底座件51能夠在該作動器為了將該室內的晶圓堆接合而被施加壓力時保持實質扁平。
雖然前述的實施例相對於已知的機構提供實質上的改善，但它們的一些面向在構造及使用上是昂貴的或是複雜的。因此，各種改良被描述於下文中。
再次參考圖6，所想要的是，上塊體組件20相對於下塊體組件22被校平使得當表面23S和21S相接觸時均勻的壓力被施加在整個表面23S及21S上。如之前參考圖8所描述的，在每一柱42的連接44處的一些z軸調整可藉由調整相應的嚙合件44E來達成。在一使用三個柱42的實施例中，可獲得此二維度的校平。然而，實際上被發現的是，使用此機構是相當耗時的且是有些困難的。作為一項改良，現參考圖21，在一實施例中，一螺紋柱2101取代這三個柱42中的兩個柱的每一者，其與異螺距螺紋式(differentially threaded)調整軸套2102嚙合，該異螺距螺紋式調整軸套被校平套筒2110包圍。為了要確保該調整軸套2102的螺紋在受負荷下被放置之前即被適當地設置使得調整在負荷下不會改變，預加載彈簧2105(如，預加載墊圈)被嚙合在附裝板46和柱2101之 間，上間隔片擋止件2103和六角螺栓2104如圖所示地被設置以提供一範圍限制擋止件。一夾鉗2106被建構來提供徑向的夾鉗力，用以在校平調整完成之後它被旋緊時將z軸運動減至最小。校平套筒2110包括一肩部2111，其允許六角肩部螺栓2112在調整期間防止校平套筒2110轉動(或其它運動)。在一實施例中，彈簧2105是Belleville式圓錐盤形墊圈，其如圖所示地被堆疊(如，在一被界定於附裝板46中的大致圓錐形座的特徵構造內)以提供所想要的預加載能力及調整範圍，其在一些實施例中在至少5kN或更大的預加載力(如，約10kN或更大、約15kN或更大、等等)下約為±2mm。在一實施例中，該螺紋式調整軸套2102以一微米驅動系統的方式被差異地形成螺紋，外螺紋的螺距為2mm且內螺紋的螺距為1.5mm以產生約1.0mm或更小(如，約0.75mm或更小、約0.5mm或更小、等等)的有效螺距解析度。在一些實施例中，內螺紋的螺距可以比外螺紋的螺距小約0.5mm。
圖22是一立體圖，其顯示圖21中所討論的構件。在該被示出的實施例中，該校平套筒2110包括一整體式夾鉗2106，其係藉由將該校平套筒2111的一部分切掉而形成的。此外，游標尺記號2202被蝕刻在該校平套筒2110的一部分上，且游標尺記號2201亦被蝕刻在螺紋式調整軸套2102的一部分上，因而允許以一種比沒有這些記號簡單的方式來進行使用者調整。在一實施例中，該等游標尺記號2201及2202是以1微米(1μm)級數的測 量解析度被提供。
如之前提到的，在一實施例中，三個柱42中的兩個柱用圖21及22中所示的構件的構造來取代。在此實施例中，該第三柱42的替換件是一不可調整的環架(gimbal)附裝件。讓三個柱中的兩個柱可調整可提供所想要的校平能力，而且不需要第三個調整點。現參考圖23，第三個螺紋柱2101(沒有被套設圖21及22中所示的調整)包括一測力器(load cell)2301其具有相應的蓋子2302及環架襯套(gimbal bushing)2303。在一實施例中，蓋子2302係使用蓋子螺栓(未示出)及彈簧2105用和參考圖21所描述的方式相同的方式旋緊。關於測力器2301，在一實施例中(由德國的Ettenheim市的ATP Messtechnik GmbH所提供之)FD0180-N510-1379-M09型號的測力器被用作為測力器2301。此環架式構造的一個好處是，測力器2301不只形成該環架的一部分，而且還可用作為用於之前討論的該被施加的力柱的感測器。因為柱42(尤其是，參考圖21及23所討論的柱2101)的等間距且對稱的配置，所以整個被施加的力是測力器2301所顯示的力的3倍。依據一些實施例，測力器2301可和被設置的柱的任何一者或其組合一起使用。因此，多個測力器2301可被使用在一或多個位置。
如上文中參考圖6、8及11所描述的，例如，一下塊體組件22被建構來和一上塊體組件20接觸，且在圖8及11所示的特定的實施例中，相關的加熱器和 隔熱構件30，32，34，36都被力柱450，460湊在一起。實際上，熱差異和大壓力會造成某些構件(如，上及下塊體組件20，22以及那些會被充分地壓抵住該等組件以取得它們的形狀的構件)的圓頂化(doming)。雖然此變形很小(如，在某些例子中是在25-150微米的範圍內)，但這仍然會導致不均勻的晶圓接合。現參考圖24，為了要將此變形最小化，在一實施例中，一反作用地板2401被用來將這不想要的變形最小化。在一實施例中，反作用力板2401是一沒有複雜的活動部件之AISI 1045的單一機械加工件。反作用力板2401被螺栓緊固至之前描述的底座件51。一組密封件2402-2407(其具有在圖24右側未被標號之相應的截面)在一實施例中為O形環被置於底座件51和反作用力板2401的對應溝槽內。密封件2406及2407保持該處理室中的壓力條件，該處理室是在密封件2407所界定的空間外面且在密封件2406所界定的空間裡面的區域。該處理室環境在一些實施例中是極度真空，但亦可包含較高的壓力(如，在一實施例中高達2大氣壓力)。密封件2402及2405分別界定用於(以前面描述的方式)經由相應的埠口(未示出)引入加壓氣體至底座件51和反作用力板2401之間的內及外邊界。介於密封件2402和2406以及介於密封件2405和2407之間的空間經由通氣孔2408而被保持在正常的大氣壓力。一部分形成反作用力板2401的材料被切除掉以形成一彎曲部2409。密封件2402-2407如動態密封件般作用，其隨著底座件51的相應部分 相對於反作用力板2401的相對運動而擴張及壓縮，藉以省去對於可用其它方式隨著此運動維持密封之更為複雜的結構(譬如活塞)的需求。在一實施例中，密封件2402-2405係用3mm直徑的O形環來體現，它們被發現即使是在37巴(如，約537psi)大小的壓力下仍能保持良好的密封。
密封件2403-2405被建構來允許適用於三種不同標準尺寸晶圓的壓力。對於4英吋直徑的晶圓而言，加壓氣體經由適當的埠口被施加至介於密封件2402和2403之間的區域；對於6英吋直徑的晶圓而言，介於密封件2403和2404之間的區域亦被加壓。對於8英吋直徑的晶圓而言，介於密封件2404和2405之間的區域亦被加壓。應指出的是，密封件2407小於其它密封件，因為它在該撓曲部2409外面的一沒有受到顯著變形的區域中。
實際上，被發現的是，導因於構件(譬如，被描述的實施例(如，圖15中的實施例)中的底座件51)的圓頂化而在接合力以及相應的基材夾頭變形方面的任何不想要的變動都因為使用以上述方式被加壓的反作用力板2401而被顯著地減小。
而且，被示於圖24中的是在一實施例中介於反作用力板2401和(之前描述的)夾頭23之間的各種元件。如圖所示，這些元件包括一水冷式凸緣組件，其包括蓋子2410及(之前描述的)支撐凸緣34、及加熱和隔熱構件，其包括隔熱板2470及之前描述的加熱器32，其具有 將於下文中進一步描述的熱屏2478。圖25是反作用力板2401以及圖24中所示的許多相關的構件的一切開的立體圖。
相較於之前參考圖14及19所描述的隔熱系統，隔熱板2470被發現即使是在重復使用的極端溫度及壓力下仍表現出更好的耐用性及使用壽命而且較不複雜。在一實施例中，隔熱板2470是用之前描述的低CTE材料製成，一組堆疊式熱屏2478被置於隔熱板2470和加熱器32之間以提供更好的隔熱性。現參考圖26，在一實施例中該隔熱板2470是用數個低CTE材料的餡餅形(pie-shaped)楔形件2671構成，而不是用圖19的單一的低CTE板78及隔膜76系統。被發現的是，使用此等楔形件2671而不是單一低CTE材料件的一個好處是可將導因於熱膨脹/收縮的不利影響最小化。當此單一件式構件與具有不同熱膨脹係數的另一構件(如，示於圖19中的隔膜76)接觸時，該單件式構件的膨脹/收縮會造成該低CTE材料、該另一構件、或這兩者的磨損。因為該等餡餅形楔形件2671是獨立的，每一者可相對於另一者稍微地移動，因此，源於熱膨脹/收縮的運動的磨損可被最小化或減少。在一些例子中，楔形件2671可被建構成以大致圓形的方式被配置，以頂點指向一共同的圓心，但其它配置可依據其它實施例被提供。此外，使用楔形件2671允許隔熱板2470提供約50微米或更小(如，約30微米或更小、約10微米活更小、約5微米或更小等等)的範圍內之所想 要的小量的順從撓曲並在沒有龜裂下容忍此撓曲，因為低CTE材料典型地在這些方面並不特別寬容。
在一實施例中，對於隔膜/真空系統(譬如，圖19所示者)的其它改良是藉由使用堆疊式箔片熱屏2478而不是依賴真空(以及依賴保持完好的隔膜76)來達成。在一實施例中，熱屏包括兩層金屬箔層，每一金屬箔層具有切掉的孔洞，用以與該隔熱板2470上突起來的凸出物的圖案相匹配。在一實施例中，熱屏2478是用不銹鋼製成；在替代實施例中，低CTE合金(譬如，恆範鋼(invar))被使用。實際上，被發現的是，和圖19所示以真空為主的系統類似的性能可在使用隔熱板2470和箔片熱屏2478而完全無需建立真空之下被達成。
現參考圖27，在又另一實施例中，隔熱板2470是用兩件式低CTE材料製成，即上部2771和下部2772。在此實施例的一個變化例中，甚至不需要熱屏2478，尤其是如果一輕微的真空被維持在上部2771和下部2772之間的空隙的話。以此方式，部分真空的隔熱效果即可在無需一隔膜(其會隨著時間而被磨損)之下被達成。在某些應用中，這些特徵的組合證明可提供改良的性能及磨損特性。例如，每一個圖26的楔形件2671可用圖27所示的上部及下部2771及2772來構成。
示範性實施例的上面的描述已為了舉例及描述的目的被提供。它並不是要耗盡式的描述或用來將本揭露內容侷限在被揭露的特定形式。有鑑於此揭露內容，許 多修改及變化都是有可能的。本揭露內容的範圍不是受此詳細的描述所限制，而是由隨附的申請專利範圍來界定。主張此申請案優先權之未來提申的申請案可以不同的方式主張被揭揍的發明主體且大致上可包括一或多個被不同地揭露或以其它方式展示於本文中的限制條件的任何組合。
300‧‧‧晶圓接合系統
310‧‧‧第一晶圓
312‧‧‧接合層
310a‧‧‧第一表面
320‧‧‧第二晶圓
322‧‧‧接合層
320a‧‧‧第一表面
350‧‧‧力
310b‧‧‧第二表面
320b‧‧‧第二表面

Claims (29)

  1. 一種半導體結構接合設備，其包含：一下塊體組件，其包含一第一表面，該第一表面被建構來接納至少一半導體晶圓於其上；一上塊體組件，其包含一第二表面，該第二表面被建構成在施加接合力於該至少一半導體晶圓上時將和該第一表面接觸；及一校平調整系統，其被建構來提供該上塊體組件相對於該下塊體組件的校平調整，該校平調整系統包含：一第一螺紋柱；一包圍該第一螺紋柱的第一異螺距螺紋式調整軸套；一包圍該第一異螺距螺紋式調整軸套的第一校平套筒；一第二螺紋柱；一包圍該第二螺紋柱的第二異螺距螺紋式調整軸套；及一包圍該第二異螺距螺紋式調整軸套的第二校平套筒。
  2. 如申請專利範圍第1項之設備，其中該第一異螺距螺紋式調整軸套和該第二異螺距螺紋式調整軸套的至少一者被建構成微米驅動系統，其具有第一螺距的外螺紋和第二螺距的內螺紋，該第二螺距不同於該第一螺距。
  3. 如申請專利範圍第2項之設備，其中該第二螺距比該第一螺距小約0.5mm。
  4. 如申請專利範圍第1項之設備，其中該第一異螺距螺紋式調整軸套和該第二異螺距螺紋式調整軸套的至少一者被建構來提供一1.0mm或更小的有效螺距解析度。
  5. 如申請專利範圍第1項之設備，其中該第一校平套筒和該第二校平套筒的至少一者包括一肩部，其被建構來接納一緊固件，使得該第一校平套筒和該第二校平套筒的該至少一者在該上塊體組件相對於該下塊體組件的校平調整期間被防止轉動。
  6. 如申請專利範圍第1項之設備，其中該第一校平套筒和該第二校平套筒的至少一者包括一夾鉗，該夾鉗與之一體形成且被建構來提供徑向夾鉗力，該徑向夾鉗力在完成該上塊體組件相對於該下塊體組件的校平調整後被旋緊時減小z軸運動。
  7. 如申請專利範圍第1項之設備，其中：該設備進一步包含一附裝板，其可操作地和該第一螺紋柱及該第二螺紋柱耦合且被建構來將來自該上塊體組件的負荷分散到該第一螺紋柱和該第二螺紋柱；且該校平調整系統進一步包含多個預加載的彈簧，其被設置在該附裝板和該第一螺紋柱和該第二螺紋柱的至少一者之間。
  8. 如申請專利範圍第7項之設備，其中該等多個預加載的彈簧的至少一者是Belleville式圓錐盤形墊圈。
  9. 如申請專利範圍第7項之設備，其中該等多個預載彈簧被建構來提供下列至少一者： 至少5kN的預加載力；及在約±2mm的範圍內的調整範圍。
  10. 如申請專利範圍第1項之設備，其中該校平調整系統進一步包含一上間隔片擋止件，其被設置成蓋在該第一螺紋柱和該第二螺紋柱的至少一者上面，在該第一異節距螺紋式調整軸套和該第二異節距螺紋式調整軸套的一相應的至少一者內，且被建構來接納一緊固件，使得該緊固件和該第一螺紋柱和該第二螺紋柱的該至少一者實體地耦合。
  11. 如申請專利範圍第1項之設備，其中該校平調整系統進一步包含一第三柱，其建構成一不可調整的環架(gimbal)附裝件。
  12. 如申請專利範圍第1項之設備，其中該校平調整系統進一步包含：一第三螺紋柱；及一測力器，該第三螺紋柱被插入穿過該測力器。
  13. 如申請專利範圍第12項之設備，其中：該設備進一步包含一附裝板，其可操作地和該第一螺紋柱及該第二螺紋柱耦合且被建構來將來自該上塊體組件的負荷分散到該第一螺紋柱和該第二螺紋柱；且該校平調整系統進一步包含一環架襯套，其被設置在該測力器和該附裝板之間且該第三螺紋柱被插入穿過該環架襯套。
  14. 如申請專利範圍第12項之設備，其中該校平調 整系統進一步包含一蓋子，其被設置在該第三螺紋柱上且被建構來接納一緊固件，使得該緊固件和該第三螺紋柱實體地耦合。
  15. 如申請專利範圍第1項之設備，其中：該上塊體組件進一步包含：一夾頭，其被建構來提供該第二表面，該第二表面被建構成在施加接合壓力於該至少一半導體晶圓上時將和該第一表面接觸；及一反作用力板(reaction plate)，其被設置在該夾頭之上且被建構來減小該上塊體組件的變形，該反作用力板包含：一單片式(monolithic)板件；及多個同心的溝槽，其被界定在該單片式板件上且被建構來接納相應的多個密封件；且該設備進一步包含多個埠口，其被建構來將加壓氣體輸送至該反作用力板的多個區域。
  16. 如申請專利範圍第15項之設備，其中：該反作用力板的該等多個同心的溝槽包含：一第一溝槽；一第二溝槽，其在該第一溝槽的同心的外部；一第三溝槽，其在該第二溝槽的同心的外部；及一第四溝槽，其在該第三溝槽的同心的外部；而且該等多個埠口被建構來將加壓氣體輸送至該反作用力板的該等多個區域，使得： 在接合4英吋直徑的半導體晶圓時，加壓氣體被施加至一介於該第一溝槽和該第二溝槽之間的第一區域；在接合6英吋直徑的半導體晶圓時，加壓氣體被施加至該第一區域及一介於該第二溝槽和該第三溝槽之間的第二區域；及在接合8英吋直徑的半導體晶圓時，加壓氣體被施加至該第一區域、該第二區域、及一介於該第三溝槽和該第四溝槽之間的第三區域。
  17. 如申請專利範圍第15項之設備，其中該反作用力板具有一界定於其內的切除部分，其被建構來允許該反作用力板在該處撓曲。
  18. 如申請專利範圍第15項之設備，其中該上塊體組件進一步包含一設置在該反作用力板和該夾頭之間的隔熱板。
  19. 如申請專利範圍第18項之設備，其中該隔熱板包括多個楔形件，它們被彼此實體地分開且被建構來相對於彼此移動。
  20. 如申請專利範圍第19項之設備，其中該等多個楔形件被建構成以頂點指向一共同的圓心的方式被配置成一圓的形式。
  21. 如申請專利範圍第19項之設備，其中該等楔形件的至少一者包括多個由其表面延伸出之突起的凸出物，該等突起的凸出物在該表面上到處彼此間隔開。
  22. 如申請專利範圍第19項之設備，其中該等楔形 件的至少一者構成一單片式元件。
  23. 如申請專利範圍第19項之設備，其中該等楔形件的至少一者構成一多片式元件，其包含：一下板部分；及一上板部分，其被建構成設置在該下板部分之上且可操作地與該下板部分耦合，使得真空可被保持在一被界定在該下板部分和該上板部分之間的空隙中。
  24. 如申請專利範圍第23項之設備，其中該下板部分包括多個突起的凸出物，其被設置在該下板部分的內表面上且在界定於該下板部分和該上板部分之間的該空隙內朝向該上板部分延伸，該等突起的凸出物在該下板部分的該內表面上到處彼此間隔開。
  25. 如申請專利範圍第18項之設備，其中該隔熱板包含：一下板部分；及一上板部分，其被建構成設置在該下板部分之上且可操作地與該下板部分耦合，使得真空可被保持在一被界定在該下板部分和該上板部分之間的空隙中。
  26. 如申請專利範圍第25項之設備，其中該下板部分包括多個突起的凸出物，其被設置在該下板部分的內表面上且在界定於該下板部分和該上板部分之間的該空隙內朝向該上板部分延伸，該等突起的凸出物在該下板部分的該內表面上到處彼此間隔開。
  27. 如申請專利範圍第25項之設備，其中該下板部分 和該上板部分的至少一者構成一單件式元件。
  28. 如申請專利範圍第18項之設備，其中該隔熱板被建構來提供約50微米或更小的服貼撓曲(compliance deflection)。
  29. 如申請專利範圍第1項之設備，其中該校平調整系統進一步包含至少一測力器，該第一螺紋柱和該第二螺紋柱的至少一者被插入穿過該測力器。
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