CN102126701A - 在图案化晶片上的可控结合波 - Google Patents

Abstract

结合两个衬底的方法包括：在第一衬底和第二衬底之间放置分隔件；在分隔件在第一衬底和第二衬底之间的情况下，对第一衬底施加压力，以引发第一衬底和第二衬底之间的结合波；和通过平移所述分隔件使其远离第一衬底或第二衬底的中心，控制结合波的移动。

Description

在图案化晶片上的可控结合波

技术领域

本公开涉及硅衬底加工。

背景技术

微机电系统(MEMS)典型地具有使用常规半导体加工技术在半导体衬底中形成的机械结构体。MEMS可以包括单一结构体或多个结构体。MEMS的机电方面在于，电信号启动每一个结构体或通过MEMS中的每一个结构体的致动而产生。

各种加工技术用于形成MEMS。这些加工技术可以包括层形成，如沉积和结合(bonding)，以及层改造，如激光烧蚀、蚀刻、冲压和切割。所用的技术是基于要在主体(body)中形成的所需的路径、凹部和孔的几何形状以及主体的材料而选择的。

MEMS的一个实施方案包括其中形成有室的主体，和在主体的外表面上形成的压电致动器。压电致动器包括压电材料如陶瓷的层和在压电材料的相对侧的导电元件，如电极。压电致动器的电极可以在压电材料上施加电压以使其变形，或者压电材料的变形可以在电极之间产生电压差。

一种具有压电致动器的MEMS是微流体喷射装置。致动器可以包括压电材料，其可以由电极致动，从而使压电材料变形。这种变形的致动器对室增压，从而使室内的流体离开，例如通过喷嘴离开。结构部件，包括致动器、室和喷嘴，可能影响流体喷射的量。在具有多个结构体的MEMS中，在整个MEMS上形成每一个结构体的一致大小的部件可以改善MEMS的性能的一致性，如喷射的流体量的一致性。形成具有几微米尺寸的一致性的结构体可能具有挑战性。

发明内容

总的来说，在一个方面中，结合两个衬底的方法包括：在第一衬底和第二衬底之间放置分隔件；分隔件在第一衬底和第二衬底之间的情况下，对第一衬底施加压力，以引发第一衬底和第二衬底之间的结合波(bondwave)；和通过平移所述分隔件使其远离第一衬底或第二衬底的中心，控制结合波的移动。

该实施方案和其它实施方案可以任选地包括一个或多个下列特征。该方法还可以包括：当结合波在第一衬底和第二衬底之间移动时，监控所述结合波。该方法还可以包括：在平移分隔件之后，从第一衬底和第二衬底之间移除分隔件。分隔件可以包括锥形部和非锥形部，并且移除分隔件可以包括：移除在非锥形部后面的锥形部。该方法还可以包括确定结合波的停止点，并且控制结合波的移动可以在已经确定停止点之后开始。

分隔件的平移速率可以低于最高速率，超过最高速率，则孔隙和气泡可能被捕获在第一和第二衬底之间。分隔件可以以在约50mm/s至70mm/s之间的速率平移。可以施加在约0.5psi至5psi之间，如约1psi的压力。

第一衬底或第二衬底可以包括图案化区域，该图案化区域包括至少一个管芯(die)。该方法还可以包括：将具有图案化区域的衬底定位，使得至少一个管芯的长度沿着与沿着分隔件的长度延伸的轴的角度小于30°的轴定位。该角度可以是约17°。

将分隔件放置在第一衬底和第二衬底之间可以使得在第一衬底和第二衬底之间的至少一个点具有约0.5mm至5mm的间隙。该间隙可以是约1mm。

可以大致沿着第一衬底或第二衬底的径向轴放置分隔件，并且分隔件可以沿着径向轴延伸小于第一衬底或第二衬底径向距离的量。分隔件可以沿着径向轴延伸约0.5mm至50mm。分隔件可以沿着径向轴延伸约3mm。

可以使用手动机构来施加压力。可以用来自自动化气缸或空气瓶的空气来施加压力。所述的结合还可以通过使压力机构在第一衬底或第二衬底的表面上滑动而引发。压力机构可以包含柔性材料(compliant material)。柔性材料可以是橡胶。压力可以在第一或第二衬底上的单个压力点施加。

分隔件可以是第一和第二衬底之间的唯一分隔件。

通常，在一个方面中，用于结合两个衬底的设备包括：被构造成固定第一衬底的衬底固定部件；被构造用于分开第一衬底和第二衬底的分隔件；压力诱导器(inducer)，其被构造成对第一或第二衬底施加压力，并且引发第一衬底和第二衬底之间的结合波；监控装置，其被构造成产生在第一和第二衬底之间的结合波的图像；和连接至分隔件的机构，该机构被构造成平移分隔件使其远离第一或第二衬底的中心，以控制结合波的移动。

该实施方案和其它实施方案可以任选地包括一个或多个下列特征。监控装置可以是红外线照相机。分隔件可以包括锥形部。分隔件的长度可以小于第一衬底或第二衬底的径向距离。分隔件可以被构造成大致沿着平分或交于(bisect)第一或第二衬底的中心和对第一衬底或第二衬底施加压力的点的直线定位或对齐。该设备还可以包括手柄(handle)，手柄被构造成使分隔件在不使用时远离衬底固定部件移动。该机构可以包括被构造成容纳在不使用时的分隔件的容纳部(pocket)。压力诱导器能够以除了平行于第一衬底的主表面以外的角度对第一衬底或第二衬底施加压力。所述压力诱导器可以被构造成以与所述主表面成90度至45度的角度施加压力。压力诱导器可以具有直径小于5mm的尖端。压力诱导器可以是可致动的。

通过将分隔件放置在两个衬底之间并且使分隔件远离衬底中心而平移，可以精确地控制在两个衬底之间的结合波。控制结合波可以避免在衬底之间形成孔隙和气泡。在结合衬底时避免气泡和孔隙可以导致衬底中的缺陷更少，这可以提高产品收率。此外，控制结合波以确保结合没有缺陷，可以减少在完成的装置中需要被测试的缺陷的数量。

本发明的一个或多个实施方案的细节在下面的附图和描述中阐述。从说明书和附图以及从权利要求中，本发明的其它特征、目的和优点将是明显的。

附图说明

图1是用于结合衬底的机械装置的俯视透视图。

图2是用于结合衬底的机械装置的仰视图。

图3A是具有伸出的分隔件的分离器单元的示意图。

图3B是分离器单元的示意图，该分离器单元具有储存在分离器单元的容纳部内的分隔件。

图4是用于结合衬底的机械装置的侧视图。

图4A是图4的一部分的局部放大图。

图5A-5F(从上面观察好像上衬底是透明的)显示了在衬底之间的示例性结合波的移动。

在各个附图中的相同附图标记表示相同的元件。

具体实施方式

当使用例如室温融合结合(fusion bonding)将两个衬底结合在一起时，结合典型地在初始结合区域开始并且以结合波形式向外扩散。如果至少一个衬底包括图案化的或蚀刻的特征(feature)，则所得到的结合波的移动受到衬底的图案化区域的影响。结果，结合波在衬底的某些区域上比在其它区域上移动更快。结合波的这种不均匀的移动可能使得孔隙和空气泡被捕获在衬底之间，从而降低结合的强度并且在未结合的区域中造成缺陷。通过将分隔件放置在衬底之间，在结合波在衬底之间移动时监控结合波，并且平移分隔件使其远离衬底中心，可以控制结合波在衬底上均匀地移动并且避免在衬底之间形成孔隙和气泡。在一些器件中，一个或两个衬底中形成有诸如凹部或孔的特征。使用在本文中所述的技术和装置所避免的孔隙和气泡不同于所需的凹部和/或孔，所述凹部和/或孔是有意在衬底中形成并且是适当器件构造所需要的。在一些实施方案中，由于两个衬底的不适当结合而造成的孔隙和气泡的直径大于2mm。

参考图1和2，机械装置100可以固定下衬底240和上衬底200。上衬底200可以在一个边缘处坐在下衬底240上，并且在相反的边缘处以一个角度与下衬底240分开。该装置可以包括可以被上下致动的衬底支撑件610。衬底支撑件610可以包括连在支撑件610上的衬底固定器612，如3至6个衬底固定器。衬底固定器612可以被构造成从支撑件向内突出，并且仅仅接触下衬底240的一小部分，例如，衬底的周边部分或边缘，从而有助于确保使下衬底240保持平坦而洁净。在一些实施方案中，多个衬底固定器612隔开以固定300mm的衬底。衬底固定器可以调节大小和定位以适应其它衬底尺寸，如200mm的衬底或更小或更大的衬底。

分离器单元630可以用于防止衬底200、240的部分的接触。分离器单元630可以包括分隔件620。分隔件620可以从分离器单元630突出，并且可以被定位成在上衬底200和下衬底240的主表面之间突出，例如，大体平行于下衬底的表面。

如在图3A中所示，分隔件620可以包括锥形部622。锥形部是锥形的，沿着至少一个轴例如其纵轴逐渐变细，并且沿着锥形部622的长度，锥度可以是均匀的。例如，分隔件620可以为销(pin)或楔的形状。在工作中，分离器单元630可以被固定使得分隔件620大体上平行于下衬底的表面，并且锥形部622的宽度(垂直于衬底表面测量的)朝衬底中心逐渐地减小。由此，锥形部622可以确保当从衬底200，240之间移除分隔件620时，衬底200，240逐渐地以可控的方式合在一起，例如，没有突然的下降(drop)。分隔件620的垂直于其纵轴的横截面可以是圆形的，因而分隔件620不必与衬底200，240的主表面精确地对齐。分隔件620在其最厚点的宽度可以介于约1mm至12mm之间，如6mm。分隔件620的长度可以小于衬底200或240的径向距离。此外，分隔件620的最大宽度可以小于3mm，例如小于1mm。分隔件可以由不划伤衬底200，240表面的材料如塑料、陶瓷或金属例如不锈钢制成。

每一个分离器单元630可以包括用于固定分隔件620的固定部件632，例如，夹具。电动机或马达650(参见图4)，例如步进电动机，可以被构造成相对于垂直衬底支撑件610表面的中心轴在向外和向内的方向上致动分隔件620，这在下面进一步论述。因此，当衬底200，240在装置100中被适当地支撑并且分离器单元630工作时，分隔件620可以沿着平行于衬底表面的轴向内或向外移动。电动机或马达650可以是分离器单元630的一部分或单独的单元。

在一些实施方案中，分隔件620可以被安装在夹具632上，使得其能够在垂直方向上自由地在枢轴上转动，即，不是被刚性地安装在夹具632中。安装分隔件620以在垂直方向上自由地在枢轴上转动，这可以便于分隔件620的对齐，并且便于衬底200，240的装载。例如，如果分隔件被安装以在垂直方向上自由地在枢轴上转动，则分隔件可以在枢轴上转动使得在移除分隔件时衬底200，240均遵循锥度，以确保衬底200，240将平稳地合在一起。

分离器单元630还可以包括手柄634，其用于将分隔件620从图3A中所示的伸出状态移动到图3B中所示的缩回状态。在缩回状态中，分隔件620可以位于分离器单元630的容纳部636中，远离衬底支撑件610。将分隔件620放置在容纳部636中可以避免在不使用时对分隔件620的损害，例如对锥形部622或分隔件的尖锐点的损害。手柄634还可以用于在装载下衬底240之前移动分隔件620以便不成为障碍，然后在装载上衬底200之前使分隔件620降下。任选地，手柄634可以是自动化的，例如使用气缸。自动化工艺可以使得分隔件620在衬底200，240已经结合在一起之后自动缩回。

如图4中所示，机械装置还可以包括监控装置400，如红外线照相机，以产生在衬底200，240之间的结合波的图像。监控装置400和/或马达或电动机650可以连接至控制器660。

在工作中，下衬底240被放置在衬底支撑件610的衬底固定器612上，降下分隔件620，然后将上衬底200在一个边缘处放置在被支撑的下衬底240的顶部上，并且在相反的边缘上放置在分隔件620上。衬底可以是例如，硅或压电(例如PZT)衬底。在两个衬底200，240之间的界面可以是例如，硅与硅，硅与氧化物，氧化物与氧化物，或BCB与硅。一个衬底可以是例如牺牲衬底。

至少一个衬底可以具有蚀刻或图案化的部分202，如图1中所示。具有图案化部分202的衬底可以在两个衬底之间界面的表面上具有仅仅部分地延伸通过衬底的凹部，或者如图1中所示，衬底的图案化部分可以具有一直延伸穿过衬底的孔。在一些实施方案中，图案化部分202包括用于喷墨打印机的入口通道或泵送室。在一些实施方案中，图案化部分202具有集合在管芯204中的特征，即凹部或孔。在该工艺中的某点，可以将管芯从衬底移除。但是，在结合步骤之后，多个管芯可以仍然是(remain)整个衬底的一部分。在一些实施方案中，管芯在一个方向上的长度大于在垂直方向上的宽度。

衬底和分隔件620可以被定位，使得通过分隔件620的长度中心的轴可以与沿着一个或多个管芯204的长度延伸的轴成一角度。该角度可以小于30°，例如约17°或约0°(即，平行)。此外，分隔件可以大致沿着与衬底200，240的中心相交的轴定位或对齐，即，沿着衬底200，240的径向轴定位或对齐。

再次参考图4，可以使用马达或电动机650使分隔件620沿着平行于被衬底固定器612限定的平面的轴422朝衬底200，240的中心移入。分隔件620沿着衬底的径向轴放置的距离可以基于衬底200，240的结合能力确定。例如，如果分隔件620被放入衬底200，240之间太远，则衬底将由于它们之间的间隔量而不能结合在一起。因此，分隔件620在衬底200，240之间延伸的距离可以小于径向距离，如0.5mm至50mm，例如3mm。在一些实施方案中，分隔件620可以永久地以所需的对齐方式被安装，使得另外的对齐不是必需的。

参考图4和4A，分隔件620可以使得衬底200，240分离并且在衬底边缘形成衬底之间的间隙408。在衬底边缘的最大间隙长度L可以是约0.5mm至5mm。

在已经将分隔件620放置在衬底200，240之间之后，可以例如通过对上衬底200按压而将压力施加到衬底200，240上。压力可以在点414处施加，所述点414偏离分隔件620约180°，即，压力点可以在衬底200，240的与分隔件620相反的侧上提供。在一些实施方案中，压力点靠近衬底边缘。压力可以使用压力诱导器412施加，所述压力诱导器412可以是手动致动的。备选地，压力诱导器412可以是根据来自控制器660的信号致动的自动化压力诱导器。例如，如果压力诱导器412是手动压力诱导器，则它可以由例如树脂如聚丙烯制成。例如，如果压力诱导器412是自动化压力诱导器，则它还可以由例如柔性材料如橡胶制成，因而在诱导器接触表面时，它可以挠曲，并且在衬底表面上略微地滑动，以引发两个衬底200，240之间的结合。压力诱导器可以具有直径小于5mm的尖端。备选地，压力诱导器412可以是气缸或空气瓶，其将空气喷射到衬底上，以在两个衬底之间施加压力。压力诱导器412能够对上衬底200施加压力，该压力与下衬底240的主表面680成一角度，而不是与主表面680平行，例如，与主表面680的角度介于45°至90°之间。使用压力诱导器412在压力点414可以施加介于约0.5psi至5psi之间的压力，如约1psi。

参考图5A-5C，压力可以在衬底组件(上衬底200被处理为透明的以显示结合波)的衬底200，240之间引起室温融合结合。融合结合，其在两个表面之间产生范德华键，发生在使2个平坦的、高度抛光的清洁表面在表面之间没有中间粘合剂层的情况下合在一起时。参考图5B，在压力点414的初始压力施加将开始在衬底200，240之间的结合。结合的边缘502(即，划分结合部分510与未结合部分512的边缘)可以称为结合前锋(bondfront)。从最靠近结合前锋502的区域开始，然后衬底的其余部分由于范德华力而相互吸引。结果，如图5A-5C中所示，结合前锋502在衬底上传播。结合前锋的这种移动可以被称为“结合波”。

当将衬底200，240结合在一起时，可以使用监控装置400监控结合波。监控装置可以显示在衬底200，240之间的结合前锋502的位置。在某个点，例如当监控装置400显示结合波由于分隔件620将衬底200，240拉开得太远以致不能结合而停止时，或者当传感器检测到结合波的特定位置时，可以使用例如马达或电动机650沿着轴422在径向上平移分隔件620使其远离衬底200，240的中心。如图4中所示，下衬底240具有主表面680和薄侧面670。分隔件620在垂直于衬底的薄侧面670并且平行于主表面680的方向上移动。分隔件620可以平移，分隔件620的平移速率可以低于最高速率，高于该最高速率，孔隙和气泡可能被捕获在衬底200，240之间。例如，分隔件620可以以约50mm/s至75mm/s的速率平移。可以使用例如控制器660控制分隔件620移动的速率。

分隔件620平移的速率可以与结合前锋502在衬底上传播的速率相关。此外，结合前锋502传播的速率可以与衬底200，240的活化水平(activation level)相关。例如，硅与硅的结合被认为是高度活性的并且快速地结合，从而使得结合前锋快速地在衬底上移动。结果，分隔件的平移速率可以更快。然而，如果一个衬底表面被污染，则衬底的活性较小，并且结合前锋移动较慢。结果，分隔件的平移速率可以较慢。类似地，与硅与硅结合相比，硅与氧化物结合或氧化物与氧化物结合的活性较低，因而结合前锋在衬底上移动较慢，因此分隔件的速率也可以比硅与硅结合时慢。

参考图5D-5F，可以控制分隔件620的移动，以确保结合波在衬底200，240上均匀地移动。即，当平移分隔件620时，衬底200，240的由于它们之间的间隙而未结合的部分变得足够接近，使得范德华力可以形成键。可以基于结合波在衬底之间的不同点的速度形成速度分布图，并且用于确定所得到的分隔件620的平移速率和应当开始平移的时间。例如，如果结合波在端部附近加速，则分离器可以在端部附近减速而使结合波减速，反之亦然。因为可以控制分隔件620的平移，因此可以控制结合波的速度以确保结合波在衬底上均匀地移动。在一些实施方案中，控制结合前锋502以当结合前锋502在衬底200，240之间移动时大致保持直线或线性。继续该过程直至分隔件620已经从衬底200，240之间完全被移除，并且将衬底200，240充分地结合在一起。

当使用融合结合而不使用如本文中所述的分隔件将两个衬底结合在一起时，结合前锋的移动可能是不均匀的。例如，结合波可能在跨越图案化区域时比跨越未图案化区域时移动更慢。类似地，结合波可能在跨越深蚀刻的图案化区域时比跨越浅蚀刻的图案化区域时移动更慢。在一些情况下，结合波可能在两个衬底之间绕圆形区域移动，从而形成被捕获空气的区域，这阻止了在空气泡的任一侧的衬底足够接近而接触以形成必要的范德华结合。因此，不均匀的移动可能导致孔隙和空气泡被捕获在衬底之间，这可能降低结合的有效性，乃至形成有缺陷的结合管芯或器件。通过平移分隔件使其远离衬底中心，可以精确地控制在衬底200，240之间的结合波，使得结合前锋在衬底上直线移动。即，结合前锋不这样移动：前锋的两个部分比这两个部分之间的第三部分在衬底上更快地移动并且彼此相遇，从而捕获该前锋的第三部分作为空气泡的边缘。作为使用本文中所述的分离器的结果，可以迫使结合波以大致相同的速率在衬底的所有部分，例如深蚀刻、浅蚀刻的或未蚀刻的部分上移动，从而显著减少或避免在衬底之间产生孔隙或空气泡。

已经描述了本发明的大量实施方案。其它实施方案在后附权利要求的范围内。

Claims (35)

1.一种结合两个衬底的方法，所述方法包括：

在第一衬底和第二衬底之间放置分隔件；

在所述分隔件在第一衬底和第二衬底之间的情况下，对第一衬底施加压力，以引发第一衬底和第二衬底之间的结合波；和

通过平移所述分隔件使其远离第一衬底或第二衬底的中心，控制所述结合波的移动。

2.权利要求1所述的方法，所述方法还包括：当所述结合波在第一衬底和第二衬底之间移动时，监控所述结合波。

3.权利要求1所述的方法，所述方法还包括：在平移所述分隔件之后，从第一衬底和第二衬底之间移除所述分隔件。

4.权利要求3所述的方法，其中所述分隔件包括锥形部和非锥形部，并且其中移除所述分隔件包括：移除所述非锥形部后面的所述锥形部。

5.权利要求1所述的方法，所述方法还包括：确定所述结合波的停止点，其中控制所述结合波的移动在已经确定所述停止点之后开始。

6.权利要求1所述的方法，其中以低于最高速率的速率平移所述分隔件，超过所述最高速率，孔隙和气泡能够被捕获在第一和第二衬底之间。

7.权利要求1所述的方法，其中以在约50mm/s至70mm/s之间的速率平移所述分隔件。

8.权利要求1所述的方法，其中施加在约0.5psi至5psi之间的压力。

9.权利要求8所述的方法，其中施加约1psi的压力。

10.权利要求1所述的方法，其中第一衬底或第二衬底包括图案化区域，该图案化区域包括至少一个管芯。

11.权利要求10所述的方法，所述方法还包括：将具有图案化区域的衬底定位，使得所述至少一个管芯的长度沿着与沿着所述分隔件的长度延伸的轴的角度小于30°的轴定位。

12.权利要求11所述的方法，其中所述角度为约17°。

13.权利要求1所述的方法，其中将所述分隔件放置在第一衬底和第二衬底之间使得在第一衬底和第二衬底之间至少一个点具有约0.5mm至5mm的间隙。

14.权利要求13所述的方法，其中所述间隙为约1mm。

15.权利要求1所述的方法，其中大致沿着第一衬底或第二衬底的径向轴放置所述分隔件，所述分隔件沿着所述径向轴延伸的量小于第一衬底或第二衬底的径向距离。

16.权利要求15所述的方法，其中所述分隔件沿着所述径向轴延伸约0.5mm至50mm。

17.权利要求16所述的方法，其中所述分隔件沿着所述径向轴延伸约3mm。

18.权利要求1所述的方法，其中所述压力是使用手动机构施加的。

19.权利要求1所述的方法，其中所述压力由来自自动化气缸的空气施加。

20.权利要求1所述的方法，其中所述结合波还通过使压力机构在第一衬底或第二衬底的表面上滑动而引发。

21.权利要求20所述的方法，其中所述压力机构包含柔性材料。

22.权利要求21所述的方法，其中所述柔性材料是橡胶。

23.权利要求1所述的方法，其中在第一或第二衬底上的单个压力点施加压力。

24.权利要求1所述的方法，其中所述分隔件是第一和第二衬底之间的唯一分隔件。

25.一种用于结合两个衬底的设备，其包括：

衬底固定部件，其被构造成固定第一衬底；

分隔件，其被构造成分开第一衬底和第二衬底；

压力诱导器，其被构造成对第一或第二衬底施加压力，并且引发第一衬底和第二衬底之间的结合波；

监控装置，其被构造成产生在第一和第二衬底之间的结合波的图像；和

连接至所述分隔件的机构，其中该机构被构造成平移所述分隔件使其远离第一或第二衬底的中心，以控制所述结合波的移动。

26.权利要求25所述的设备，其中所述监控装置是红外线照相机。

27.权利要求25所述的设备，其中所述分隔件包括锥形部。

28.权利要求25所述的设备，其中所述分隔件的长度小于第一衬底或第二衬底的径向距离。

29.权利要求25所述的设备，其中所述分隔件被构造成大致沿着平分第一或第二衬底的中心和对第一衬底或第二衬底施加压力的点的直线定位。

30.权利要求25所述的设备，其还包括手柄，所述手柄被构造成使分隔件在不使用时远离衬底固定部件移动。

31.权利要求30所述的设备，其中所述机构包括容纳部，所述容纳部被构造成容纳不使用时的所述分隔件。

32.权利要求25所述的设备，其中所述压力诱导器能够以除了平行于第一衬底主表面以外的角度对第一衬底或第二衬底施加压力。

33.权利要求32所述的设备，其中所述压力诱导器被构造成以与所述主表面成90度至45度之间的角度施加压力。

34.权利要求25所述的设备，其中所述压力诱导器具有直径小于5mm的尖端。

35.权利要求25所述的设备，其中所述压力诱导器是可致动的。

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