CN101727026A - 利用接触式光刻机提高丝网印刷精确对准装置及其方法 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种利用接触式光刻机提高丝网印刷精确对准装置及其方法，光刻时，将装有丝网印刷掩膜图形的定位夹具框插入到接触式光刻机里，通过辅助垫片调节高度，设置压缩空气将承片台向上运动，并通过传感感应实现X-Y-Z光刻预定位，通过显微镜对准系统将丝网的印刷图形与承片台上的晶圆片的图形对准，再将显微镜对准系统抬上去，将印刷涂料放于丝网上用刮板进行图形印刷，承片台向下回到原位取出晶圆片。优点：丝网印刷对准精度由通常厚膜技术的10-15μm提高到微电子技术的±3μm，实现多层堆叠晶圆片的不同厚度衬底的涂覆和对准，显著拓宽适用领域。结构、方法、操作简单，易集成、推广。实现丝网印刷掩膜图形替代接触式光刻掩膜版。

Description

利用接触式光刻机提高丝网印刷精确对准装置及其方法
技术领域
本发明涉及的是一种利用接触式光刻机提高丝网印刷精确对准的装置及其方法，属于需要丝网印刷术实现微电子的微米级对准精度的大规模集成电路、印刷等技术领域。
背景技术
传统丝网印刷技术设备简单，操作方便，印刷、制版简易且成本低廉，适应性强，已广泛应用于大规模的集成电路、印刷等领域。随着卫星、通信及航空、航天等系统中纷纷要求电子系统体积小、可靠性高和成本低，特别是MEMS及NEMS的制造技术及其集成化快速发展，使原来的平面技术拓展到三维或多层堆叠，把具有不同功能的IC，通过wafer level键合使之成为一体，该技术使得数倍甚至数十倍的集成度成为可能，并使得不同种类的芯片能够存在于同一封装中。其中利用丝网印刷术的glass frit过渡层来实现层与层的连接是一重要手段。然而由于受到丝网印刷厚膜技术的对准精度局限，无法满足微电子的微米级精度；另随着堆叠层数的增加，在考虑对准精度的同时，还须解决厚度精确控制问题。
为此，利用微电子接触式光刻机的精确对准系统，结合丝网印刷术的低成本、可批量化优势，根据光刻机的结构尺寸设计出辅助精确定位夹具，从而在光刻机上实现微米级精确定位的丝网印刷术；考虑到晶圆片向多层叠式方向发展的集成化趋势，配备有厚度可调的辅助垫片，阻止承片台上行碰触到软的丝网而损坏丝网，其高度差又灵活应对要精确对准的单芯片或层叠式芯片，从而实现芯片与丝网的间距的粗调、细调；同时为方便更换丝网，将辅助定位夹具和活动式网框设计为可拆卸式结构。目前，利用接触式光刻机提高丝网印刷的对准精度方法尚未见相关报道。
发明内容
本发明提出的是一种利用接触式光刻机提高丝网印刷精确对准装置及其方法，旨在通过辅助对准夹具的设计将丝网印刷术移植到高精度接触式光刻机，从而将丝网印刷对准精度由通常厚膜技术的10-15μm提高到微电子技术的±3μm，并且通过设计不同厚度的辅助辅助垫片实现厚度可调功能以满足堆叠结构的多层厚度需求，满足微电子领域里丝网印刷术的对准精度达到微米级要求，具有结构简单、工艺精度高、易于集成、可批量制造的目的。
本发明的技术解决方案：一种利用接触式光刻机提高丝网印刷精确对准装置，其结构至少包括辅助定位夹具、活动丝网框和不同厚度的辅助垫片，其中辅助定位夹具与接触式光刻机构造兼容；辅助定位夹具内侧边缘有两个与接触式对准光刻机位置对应的磁力感应器，使光刻机能够感应到夹具移动是否到位；采用嵌入式螺丝结构固定安装活动丝网框；承片台左右两边对称放置辅助垫片，辅助垫片高度高于多层堆叠晶圆片的水平高度，既阻止承片台向上运动时圆片不会碰触到丝网，又保证多层堆叠晶圆片与丝网间的印刷高度可调，从而实现丝网印刷在光刻机上的高精度对准。
一种利用接触式光刻机提高丝网印刷精确对准方法，其特征是光刻时，将定位夹具框插入到接触式光刻机里，通过光刻机里的程序设置压缩空气将承片台向上运动进行接触式光刻，通过显微镜对准系统将丝网的印刷图形与承片台上的晶圆片的图形对准，再将显微镜对准系统抬上去，将印刷涂料放于丝网上用刮板进行图形印刷，然后承片台向下回到原位，取出晶圆片，最小允许偏差是接触式光刻机的对准精度±3μm。
本发明具有以下优点：1、利用接触式光刻机有效提高丝网印刷术的对准精度。通过辅助对准夹具的设计将高精度接触式光刻机与丝网印刷术进行有机结合，使得丝网印刷对准精度由通常厚膜技术的10-15μm提高到微电子技术的±3μm，大大提高图形的对准精度，显著拓宽适用领域。2、辅助夹具配有不同厚度的辅助垫片，高度差为100μm，即避免承片台碰触到软的丝网继续上行而损坏丝网，又可根据衬底圆片的不同厚度需求进行更小精度的控制，这样单片或多层堆叠芯片通过辅助垫片粗调承片台向上运动的高度，再利用光刻机软件程序进行细调，使得单层或多层堆叠晶圆片始终与丝网保持着适当间距范围，从而保证浆料的印刷质量。3、采用嵌入式螺丝结构设计，在平板夹具上拆换不同掩膜图形的活动丝网框，从而在接触式光刻机上实现丝网印刷掩膜图形替代接触式光刻掩膜版。4、本发明适用于多层堆叠圆片，丝网印刷浆料采用Glassfrit、金浆和Au/Sn等多种焊料，降低成本，易于操作，可靠性高。5、本发明充分结合光刻机的工作机理，各个部件结构精密设计，结构简单、灵活巧妙，具有实现高精度、易集成、操作简便、易推广等特点。
附图说明
附图1是与光刻机的显微镜对准系统和晶圆片形成精确定位结构的辅助定位夹具分层示意图。附图2是本发明活动丝网框结构示意图。
附图3是辅助定位夹具框的背面俯视结构示意图。
附图4是装有活动丝网框的辅助定位夹具正面示意图。
附图5是本发明辅助垫片控制圆片与丝网间距的立体示意图。
图中的s1为光刻机的显微镜系统，s2为定位夹具框，s3为活动丝网框，s4为丝网，s5为要丝网印刷的晶圆片，s6为光刻机的承片台，f1为定位夹具框的上表面、f2为定位夹具框的下表面，f3为丝网框的上表面、f4为丝网框的下表面。r3为外框长度，r7为内框长度，r4为外框宽度，r8为内框宽度，c为网框高度，e1和e2分别框架的实际宽度。e3为同一边螺丝孔的上下间距，e4为同一边螺丝孔的左右间距，e5为孔径，p1为框架光滑的一面，p2为框架粗糙的一面。d1为辅助定位夹具水平基准面，d2为辅助定位夹具下平面到上平面的高度，d3为金属框与活动网框的连接面到上平面的高度，c为活动网框的厚度，d5是依据光刻机里光刻版夹具的结构所设计的台阶，r1为定位夹具框的长度，r2为定位夹具框的宽度，r3为定位夹具框与活动网框相连接处的长度，r4为定位夹具框与活动网框相连接面的宽度，r5为定位夹具框长度边到连接面长度边的距离，r6为定位夹具框宽度边到连接面宽度边的距离，r7为水平基准面d1面上中空部分的长度，r8为水平基准面d1面上中空结构的宽度。1是铝块、2是圆片、3是承片台、4是光刻机、5是丝网、6是半板夹具。
具体实施方式
对照附图1，辅助定位夹具采用铝合金制备，其厚度根据光刻机结构制定，丝网s4通过南宝树脂牢牢粘附到丝网框的下表面f4，丝网框的上表面f3则通过螺丝结构与定位夹具框s2连接在一起，从而形成丝网印刷夹具。通过螺丝结构的设计，定位夹具框s2与活动丝网框s3形成可拆卸式结构，从而可替代接触式光刻机的光刻版夹具，装入到光刻机中，光刻机上面是光刻机的显微镜对准系统，光刻机下面是承片台，通过光刻机的压缩空气定位对准的原理进行丝网图形与晶圆片的精确定位。
对照附图2，活动丝网框由金属铝框或胶木加工制成，为了方便更换活动网框，采用了螺丝结构将活动网框固定到定位夹具上，因此框架上每个边框都分别机械加工有两个螺丝孔，上下、左右对称放置，螺丝孔中心位置分别在框架中心上的框架的第一宽度e1/2和框架的第二宽度e2/2处，在框架上下两面中一面是框架光滑的一面p1，另一面为框架粗糙面p2，网框使用前框架粗糙面p2面的边缘和框角需经过机械地打磨粗化和圆化处理，且处理过程保持水平状态，从而保证粘合剂获得较大的摩擦力而牢固地将网框和丝网粘合，有利于长时间保持网框的张力。丝网是采用目数较高、丝线较细的菲林，在打磨后的网框表面通过南宝树脂粘结并绷成丝网，经感光乳剂的曝光显影形成所需丝网图形。
对照附图3，定位夹具框的背面与光刻机曝光平台的两边平面一致，金属框与活动网框的连接面到上平面的高度d3比下平面到上平面的高度d2要凹进去一定深度以放入活动网框，其中d2-d3+c(c为活动网框的厚度)所叠加得到的厚度与光刻机自带的装光刻版夹具的最大厚度是一致的，因为接触式曝光要求承片台在压缩空气的带动下会向上运动以“接触”到光刻版，因此要保持承片台与设计的定位夹具平面能够“接触”上。下平面到上平面的高度d2与光刻版夹具的最大厚度都为已知量，从而可直接得出活动网框的连接面到上平面的高度d3。定位夹具框的长度r1、定位夹具框的宽度r2分别是根据原有光刻版夹具的长度和宽度而定。它们之间的关系是：
定位夹具框长度边到连接面长度边的距离r5＝(定位夹具框的长度r1-定位夹具框与活动网框相连接处的长度r3)/2，
定位夹具框宽度边到连接面宽度边的距离r6＝(定位夹具框的宽度r2-定位夹具框与活动网框相连接面的宽度r4)/2，
活动网框相连接处的长度r3＝a1，
活动网框相连接面的宽度r4＝b1，
水平基准面d1面上中空部分的长度r7＝a2，
水平基准面d1面上中空结构的宽度r8＝b2。
定位夹具框的中空结构为实际绷网的尺寸，以方便丝网印刷时刮板涂敷浆料的运动。
对照附图4，其结构是中间为中空结构，定位夹具框到中空结构边缘的第一距离r9＝(定位夹具框的长度r1-水平基准面d1面上中空部分的长度r7)/2，定位夹具框到中空结构边缘的第二距离r10＝(定位夹具框的宽度r2-水平基准面d1面上中空结构的宽度r8)/2；根据图1中丝网框上螺丝孔的位置与大小，以及图2中在定位夹具上放置的位置，在中空结构的每一边，分别距离中空结构边缘的(第一距离/2和第二距离/2的距离上分别放置两个螺丝孔，孔径相同，从而与丝网框螺丝孔的位置和大小是一一对应。根据光刻机上的磁感应传感器位置，在辅助定位夹具一侧与光刻机上的磁感应传感器位置对应的地方设计有磁感应装置，以使光刻机能够感应到夹具移动是否到位，从而做出相应的正确指示。
对照附图5，接触式光刻机的工作原理是承片台经压缩空气向上运动将晶圆片送到与光刻版“接触”上的位置，再通过软件设置对晶圆片和光刻版间的间距在0-80μm范围内进行微调。利用该工作原理，同时考虑到晶圆片可能是多层层叠式结构，利用辅助定位夹具框和承片台之间一定的间距，在承片台左右两侧对称放置厚度一致的辅助垫片，辅助垫片的厚度在5mm-10mm之间以100μm变化不等，从而使得晶圆片与丝网间的距离可在n*100μm间的范围内进行粗调，n代表芯片叠加的层数，亦即晶圆片的厚度增加时，随之辅助垫片的厚度相应等量减少，再利用光刻机的软件设置进行微调，从而保证晶圆片和丝网间的距离适当。如果间距过大或过小，都会导致印刷图文的模糊和线条变形的现象出现，降低浆料的印刷质量。
在精密机械加工过程中，整个定位夹具框在加工过程中以原有光刻版夹具的尺寸为基础，为保证依据光刻机里光刻版夹具的结构所设计的台阶d2和依据光刻机里光刻版夹具的结构所设计的台阶d5面与光刻机的相应结构是咬合的，在精密铣床上采用一次性加工而成；而三点决定一面，其三个小圆盘也是一次加工形成，确保三点一面与光刻机咬合的部分高度平行重合，从而确保丝网与承片台上的晶圆片在彼此平行的平面内。
光刻机对准原理，即承片台在压缩空气作用下向上运动接触到光刻版金属框架，光刻机在相应传感器接收到信号后会控制承片台定位并向下微调，从而与光刻版保持在一定微距范围内，左右调节承片台的位置直至与光刻版上的图形对准。定位夹具代替光刻版夹具装入到光刻机后，其上面的丝网较软，承片台上的晶圆片接触到丝网后由于光刻机无法正确给相应的传感器传达指示信号，使得承片台继续上行而损坏丝网。为此精密设计高平整度的辅助垫片，放置在承片台的两侧，当其水平高度超过晶圆片的水平高度，可随承片台一起向上运动，辅助垫片碰触到上面金属定位夹具后传感器会正确传递指示信号，从而正常完成圆片对准前的Z向精确定位。
光刻时，将定位夹具框插入到接触式光刻机里，通过光刻机里的程序设置压缩空气将承片台向上运动进行接触式光刻，通过显微镜对准系统将丝网的印刷图形与承片台上的晶圆片的图形对准，再将显微镜对准系统抬上去，将印刷涂料放于丝网上用刮板进行图形印刷，然后承片台向下回到原位，取出晶圆片。最小允许偏差是接触式对准光刻机的精度±3μm，从而高质量地实现了丝网印刷与晶圆片的精确定位。
承片台两边放置的辅助垫片是用来调节晶圆片与丝网印板间的高度(即网距)，合适的网距能够避免出现印刷图文的模糊和线条变形的现象。因此根据多层晶圆片的厚度来放置不同高度的辅助垫片，可进行100μm间距的粗调，再通过光刻机里的程序控制进行几十微米间距的微调，从而得到合适的网距，适用于单片或多片堆叠的丝网印刷术。
依据接触式对准光刻机原有的对准夹具结构与尺寸，采用精密机械加工技术加工一块同样大小、与光刻机曝光平台两边齐平的定位夹具框，以替换原装有光刻版的夹具。
依据接触式光刻机的结构，在辅助的定位夹具上通过嵌入式螺丝结构设计，可拆换不同掩膜图形的活动丝网框，从而在接触式光刻机上实现丝网印刷掩膜图形替代接触式光刻掩膜版。
定位夹具框的一侧设计有两个与接触式对准光刻机位置对应的磁力感应器，以使光刻机能够感应到夹具移动是否到位。
定位夹具框背面有三个圆盘，三点决定一个平面，这样定位夹具框实现与光刻机的高度平行，提高整片丝网印刷质量。
活动丝网框是通过铝合金或胶木的机械加工而成，网框棱角须经打磨粗化和圆化处理，通过粘合剂将网框与印刷丝网牢固地粘合在一起，从而形成具有一定张力的丝网。
根据定位夹具框的实际应用，活动丝网框中丝网的目数及绷网的张力根据实际需要进行选择。
根据定位夹具框的实际应用，承片台上的晶圆片可以是单层或多层堆叠的圆片组成。
本发明采用的丝网涂料为glass frit(玻璃浆料)，也可以是金浆、Au/Sn焊料等印刷材料。

Claims (8)

1.一种利用接触式光刻机提高丝网印刷精确对准装置，其特征是它至少包括辅助定位夹具、活动丝网框和不同厚度的辅助垫片，其中辅助定位夹具与接触式光刻机构造兼容；辅助定位夹具内侧边缘有两个与接触式对准光刻机位置对应的磁力感应器，使光刻机能够感应到夹具移动是否到位；采用嵌入式螺丝结构固定安装活动丝网框；承片台左右两边对称放置辅助垫片，辅助垫片高度高于多层堆叠晶圆片放置的水平高度，阻止承片台向上运动时圆片碰触到软的丝网而损坏丝网，并利用高度差为100μm的辅助垫片对多层堆叠晶圆片与丝网间的印刷高度进行粗调，印刷质量不随厚度改变而降低，真正实现丝网印刷在光刻机上的高精度对准。
2.根据权利要求1所述的一种利用接触式光刻机提高丝网印刷精确对准装置，其特征是平板式金属框的背面有三个小圆盘，三点决定一平面，以保证平板式金属框与光刻机的曝光平台高度平行。
3.根据权利要求1所述的一种利用接触式光刻机提高丝网印刷精确对准装置，其特征是平板金属框与活动丝网框是可拆卸式结构，方便更换不同印刷图形的网框。
4.根据权利要求1所述的一种利用接触式光刻机提高丝网印刷精确对准装置，其特征是多层堆叠晶圆片的层与层之间连接采用的印刷浆料是玻璃浆料。
5.一种利用接触式光刻机提高丝网印刷精确对准的方法，其特征是光刻时，将定位夹具框插入到接触式光刻机里，通过光刻机里的程序设置压缩空气将承片台向上运动进行接触式光刻，通过显微镜对准系统将丝网的印刷图形与承片台上的晶圆片的图形对准，再将显微镜对准系统抬上去，将印刷涂料放于丝网上用刮板进行图形印刷，然后承片台向下回到原位，取出晶圆片，最小允许偏差是接触式对准光刻机的精度±3μm。
6.根据权利要求5所述的一种利用接触式光刻机提高丝网印刷精确对准方法，其特征是利用承片台在压缩空气作用下向上运动接触到平板式金属框，光刻机在相应传感器接收到信号后会控制承片台定位并向下微调，从而与光刻版保持在规定微距范围内，左右调节承片台的位置直至与光刻版上的图形对准的工作原理，采用辅助定位夹具代替光刻版夹具装入到光刻机后，其上面的丝网较软，承片台上的晶圆片接触到丝网后由于光刻机无法正确给相应的传感器传达指示信号，使得承片台继续上行而损坏丝网，为此将精密设计的高平整度辅助垫片放置在承片台的两侧，且辅助垫片水平高度超过晶圆片放置的水平高度，随承片台一起向上运动，辅助垫片碰触到上面平板式金属框后传感器会正确传递指示信号，从而正常完成圆片对准前的Z向精确定位。
7.根据权利要求5所述的一种利用接触式光刻机提高丝网印刷精确对准方法，其特征是根据承片台上多层堆叠晶圆片的厚度变化情况配以不同高度的辅助垫片，辅助垫片高度在5mm-10mm范围内以100μm间距变化不等，不仅适用于非常规厚度的圆片堆叠，还可灵活粗调间距，使得芯片与丝网间的高度即网距始终保持在可印刷范围内，不因衬底厚度的改变而降低印刷质量。
8.根据权利要求5所述的一种利用接触式光刻机提高丝网印刷精确对准方法，其特征是利用光刻机上的软件控制程序再对晶圆片与丝网的间距进行细调，使浆料适量地落在规定间距的圆片上保证印刷质量。
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