CN102834950B - 用于维持组件的安全操作温度的组件封装 - Google Patents

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CN102834950B CN201080057121.XA CN201080057121A CN102834950B CN 102834950 B CN102834950 B CN 102834950B CN 201080057121 A CN201080057121 A CN 201080057121A CN 102834950 B CN102834950 B CN 102834950B
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Abstract

公开了热绝缘的电子组件封装以及合适于高温环境中的处理条件的仪器。该组件封装包括薄电子组件、热绝缘的外壳、以及由热绝缘材料制成的且尺寸和形状被制成可装配在该外壳内的插入件。插入件包括尺寸和形状制成为可容纳薄电子组件的内部腔体。在该仪器中，外壳可被设置为安装至衬底。

Description

用于维持组件的安全操作温度的组件封装
优先权要求
本申请案是2005年12月13日申请、作为美国专利申请公开号20060174720公开的、美国专利申请11/302,763的部分继续申请并且主张该申请的优先权，该申请全部内容以引用方式并入本文。
本申请还要求在2009年12月18日提交为美国专利申请12/642,695、并在2010年1月7日转换为临时申请案的美国专利申请系列号12/642,695的优先权，该申请案的全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明涉及高温、无线测量设备，且更具体地涉及当该设备暴露于高温超过延长的时间段时保持该设备的组件安全的方法。
发明背景
集成电路、显示器或磁盘存储器的制造通常采用很多处理步骤。必须仔细监测每一处理步骤，从而提供可工作的设备。在整个成像处理、沉积与生长处理、蚀刻与掩模处理等中，关键的是，例如，在每一个步骤过程中仔细控制温度、气流、真空压力、化学气体或等离子体组分、及曝露距离。仔细注意每一个步骤中所涉及的各种处理条件是最优的半导体或薄膜工艺的要求。与最优处理条件的任何偏差可导致使随后的集成电路或设备以低于标准的等级工作，或更差地，完全失效。
在处理腔室中，处理条件不同。诸如温度、气体流速、和/或气体组分之类的处理条件中的变化极大地影响集成电路的形成以及因此造成的性能。使用具有与集成电路或其它设备相同或类似材料的类似衬底的设备来测量处理条件提供了对条件的最准确的测量，因为该衬底的热导率与将要处理的实际电路是一样的。对于实际上所有处理条件而言，在整个腔室中存在梯度及变化。因此，这些梯度也存在于整个衬底表面上。为了准确地控制在衬底处的处理条件，重要的是在衬底上进行测量且这些读数可用于自动控制系统或操作者，从而可易于获得腔室处理条件的优化。处理条件包含用于控制半导体或其它设备制造的任何参数或制造者期望监测的任意条件。
授予Freed等的美国专利No.6,691,068教示了能够为被用于处理工件的处理工具而测量数据、处理数据、储存数据、以及发射数据的传感器装置。该传感器装置包括信息处理器、用于控制该装置的嵌入可执行命令、以及至少一个传感器。该传感器装置能够被装载到处理工具中。该传感器装置具有用于近乎实时数据收集及通信的能力。
传统地，将低轮廓无线测量设备安装于衬底上用于测量处理条件。对于用于在高温环境(例如，高于约150℃的温度)下工作的低轮廓无线量测设备而言，当该设备暴露于高温环境时该设备的特定关键组件(诸如，薄电池及微处理器)必须能够运行。传统地，背部AR涂布(BARC)处理在250℃下操作；CVD处理可在约500℃的温度下操作；且PVD处理可在约300℃下操作。不幸的是，很多类型的电池(举例而言，薄膜Li电池)在180℃下熔化。电池封装材料会在180℃下放气，这也造成电池损坏。
为建立无线温度测量设备的高温(150℃或更高)版本，一些可购得的特定组件在高温下操作的能力有限。进一步，近期不可能购得具有充分的高温能力的组件。除对热传导绝缘以外，进一步的挑战在于无线测量设备中的电池应保持2mm或更少的轮廓，从而可装配到各种处理腔室中。
在这样的背景下，本发明的实施例出现了。
附图说明
一旦阅读了以下详细说明并参考附图，本发明的其它目的和优点就将变得显而易见，在附图中：
图1A是根据本发明的实施例的薄绝缘组件封装的分解的三维图。
图1B是根据本发明的实施例的薄绝缘组件封装的截面图。
图1C是根据本发明的替代实施例的薄绝缘薄组件封装的截面图。
图2A是具有安装在衬底顶部的薄绝缘组件封装的测量衬底的俯视示意图。
图2B是根据本发明的实施例的、在不含支架的情况下，具有安装在衬底顶部的薄绝缘组件封装的图2A的测量衬底的侧视图。
图2C是根据本发明的实施例的、在含支架的情况下，具有安装在衬底顶部的薄绝缘组件封装的图2A的测量衬底的侧视图。
图2D是根据本发明的实施例的，具有安装在衬底腔内的薄绝缘组件封装的图2A的测量衬底的侧面剖视图。
特定实施例的描述
尽管下述详细描述出于说明的目的包含诸多特定细节，然而任何本领域普通技术人员将理解对于下述细节的许多变化和改变是落入本发明的范围内的。因此，本发明的示例性实施例不丧失任何一般性地，不强加限制地，阐述了要求保护的发明。
Renken等人的美国专利No.6,889,568和美国公开案No.20060174720(两者的全部揭示内容通过引用并入本文)教示了被用于在制造过程中测量衬底的处理条件的测量设备，该测量设备结合了衬底，该衬底具有附着至该衬底的多个传感器。该衬底可由自动头插入到处理室中，且该测量设备可实时传输条件或储存条件以供后续分析。该设备的敏感电子组件可与最有害的处理条件间隔或隔离，从而增加该设备的准确性、操作范围、及设备可靠性。然而，通常，如果期望低轮廓，在引脚部抬高电子组件可能是不实际或不期望的。另外，在衬底上抬高组件可能本身不足以保护曝露于高温超过延长的时间段的组件。
本发明的实施例利用新颖的薄绝缘组件封装，当该设备暴露于高温超过延长的时间段(诸如，勘测时间)时所述薄绝缘组件封装将温度敏感组件保持在安全操作温度范围内。图1A是根据本发明的实施例的薄绝缘组件封装100A的分解的三维图，且图1B是其示意截面图。封装100A可包括热绝缘外壳126，其可由热绝缘材料(诸如陶瓷玻璃)制成。期望的是由高比热材料制成外壳126以在不增加过多高度的情况下增加封装100A的热质量。
如此处所使用的，术语“热绝缘”是指作为低热导率和/或高热容的结果而对抗跨材料或介质的热传导的性。如此处所使用的，术语“热吸收”是指作为高热容的结果、但未必是作为低热导率的结果，而对抗热传导的性质。从上文可看出，“热吸收”是“热绝缘”的子集。
热绝缘外壳126可由薄的、平的、且高模数材料制成，如，兰宝石、云母、因科镍合金（Inconel alloy）、Kovar（柯伐合金）、陶瓷、或Kovar与陶瓷的组合。因科镍（Inconel）是Special Metals Corporation的注册商标，是指奥氏体镍铬基超耐热合金。因科镍合金的非限制性示例为Inconel600，是72%镍、14%至17%铬、6%至10%铁、1%锰、0.5%铜、0.5%硅、0.15%碳、及0.015%硫。Kovar是Carpenter Technology Corporation的商标且是指镍钴铁合金，其被设计为与硼硅酸盐玻璃的热膨胀特性兼容。Kovar的组分为约29%镍、17%钴、少于0.1%的碳、0.2%硅、0.3%锰，其与部分为铁。
绝缘插入件128的大小和形状为可装配到外壳126中的腔体或凹部内。插入件128可以基本由高温可加工的热绝缘耐火陶瓷材料制成。这样的材料的示例包括但不限于，可购得的用硅石(SiO2)制成的刚性陶瓷材料或氧化钇稳定的陶瓷纤维(例如，氧化锆(ZrO2)纤维)，其不经受与陶瓷纯形式相关联的普通相变。其它适合的材料包括云母陶瓷。以示例的方式而不是以限制的方式，适合的陶瓷材料可具有重量占约90%的氧化锆(ZrO2)及氧化铪(HfO2)(例如，约1至2wt%的氧化铪，其自然地与氧化锆一起出现)和重量占约10%的氧化钇(Y2O3)的标称组份。可能存在其它氧化物作为杂质，如0.1%或更少。
绝缘插入件128可封围住薄电子组件102，例如，薄膜电池。以示例的方式而不是以限制的方式，该组件102的厚度可以为约6密耳（mil）。以示例的方式，插入件128可包括内部腔体或凹部130，其大小及形状为可容纳组件102。以示例的方式而不是以限制的方式，电子组件102可以是例如薄膜电池或集成电路，诸如处理器。内部腔体130一般比壳126中的腔体薄。以示例的方式而不是以限制的方式，内部腔体130可以是组件封装100A的全部厚度的2/3。以示例的方式，壳126和插入件128的总尺寸可被选择为使得组件封装100A为约36平方毫米乘以5至6mm厚或更少。
可在外壳126或插入件128中为运动锚133形成一个或多个馈通孔或至电子组件102的电连接。运动锚133可促进将组件封装100A安装到衬底，诸如半导体晶体。以示例的方式而不是以限制的方式，运动锚可以是可装配到外壳126的侧中的孔或凹部中的销。该销可将该外壳安装至运动结构，该运动结构将组件封装100A安装至衬底。该运动结构可被定制为该封装大小。每一个销可包括接近于一端的肩部，从而阻止该销太过于滑动到该壳的侧的孔中。该销可由具有良好结构性质和相对良好热绝缘性质的适合的材料，诸如不锈钢，制成。可在第二端处用衬底上的对应结构(例如，槽或凹槽)来容纳每一个销。在外壳的侧的孔中使用足够小的直径的直销，可在减少与衬底的热接触的同时提供将组件封装100A安装至衬底时的稳定性。
例如，可使用适合的粘合剂(例如，Fire Temp胶)或其它接合技术来将电子组件102接合至插入件128的内部腔体130中。任选的绝缘覆盖件134的大小及形状可被制成覆盖电子组件102并封住内部腔体130。覆盖件134可由与插入件128一样的绝缘陶瓷材料制成。可例如用高温粘合剂将接合至插入件128的壁的顶部或接合至外壳126的壁的顶部的盖136来密封封装100A。以示例的方式，盖136可由具有与外壳126的热膨胀特性类似的热膨胀特性的材料制成。以示例的方式而不是以限制的方式，如果外壳126是由诸如硼硅酸盐剥离或Al2O3陶瓷之类的陶瓷玻璃制成，盖136可由Kovar制成。可选地，盖136可被接合至插入件128的壁的顶部或接合至封装100A将要安装至其的衬底。在这样的情况下，盖136可由具有与插入件或衬底的热膨胀特性类似的热膨胀特性的材料制成。例如，如果盖被结合至由硅制成的衬底，盖136也可由硅制成。
电子组件102和插入件128可在真空中被密封于外壳126中，从而真空进一步隔绝了电子组件102。以示例的方式而不是以限制的方式，外壳126的壁的厚度可以为约10到15密耳（mil）。外壳腔体的内部体积可以是约1立方厘米(1毫升)。壳126可在内部及外部涂覆有低发射率膜(例如，金膜)、或具有类似于金的发射率或低于金的发射率的发射率的膜，从而最小化从该壳到内部零件的辐射传热。壳126可具有贯通孔138，来抽空该壳内的空间，从而当壳126处于处理工具中的真空腔室中时最小化由传导和对流进行的热传导。此外，外壳126的材料可以是高比热材料，其被选择为在不增加过多高度的情况下增加该封装的热质量。适合的材料的示例包括但不限于，例如，兰宝石、不锈钢、Kovar、因科镍合金、或陶瓷材料、或这些材料或具有与这些材料的比热类似的比热或更高比热的材料中的两个或更多个的组合。
进一步，外壳126优选地由在真空下可保持其形状的坚固材料制成。
在本发明的另一个实施例中，组件封装100A中的插入件128和覆盖件134的构造可被改变为减缓电子组件102的温度增加。如图1C中所示，可类似于图1A-1B的组件封装100A而设置薄绝缘组件封装100B。特定地，封装100B可包括热绝缘外壳126、形状和尺寸被制为可装配在外壳126内的腔体中的插入件128。插入件包括尺寸和形状制成为容纳薄电子组件102的内部腔体。在这个实施例中，插入件可由吸热材料142和低热导率材料或介质144交替的间隔层制成。该插入件的覆盖片134可被类似地构建。通过举例的方式，吸热材料142可包括因科镍、或Kovar，且低热导材料或介质144可包括陶瓷材料，如，高温可加工的热绝缘难熔陶瓷材料（诸如上述的材料），或为真空。插入件128中的交替的热吸收材料及低热导率材料或介质可降低电子组件102的温度改变速率。
在有支架（从而进一步将该封装与衬底隔绝）或没有支架的情况下，如图1A到1C中所示的一个或多个热绝缘电子组件封装可被安装在衬底上（诸如半导体晶片）。例如，如图2A中示意地示出的，处理条件测量设备200可具有安装在衬底201的顶部表面上的如图1A中所示的类型的一个或多个薄绝缘组件封装100A。衬底可具有与通过半导体晶片处理系统所处理的标准衬底一样的尺寸和形状。标准尺寸的衬底的示例包括但不限于150mm、200mm、和300mm的半导体晶片。以示例的方式而不是以限制的方式，诸如电池202之类的电子组件可被安装在封装100A中的一个中。电池202可电连接至总线204。替代地，可仅安装有一个电池封装或多于两个的电池，取决于应用和所产生的功率需求。设备200可包括由电池供电和/或通过总线204交换电信号的测量电子元件205。以示例的方式而不是以限制的方式，测量电子元件205可包括处理器模块207、存储器209、收发器211、以及一个或多个处理条件传感器，如，电磁传感器213、热传感器215、以及光或电传感器217。在一些实施例中，测量电子元件205的特定元件（如，处理器模块207、存储器209、收发器211、热传感器215、或光传感器217）可被封装在此处所描述的组件封装类型中。
处理器模块207可被设置为执行存储于主存储器209中的指令，从而当设备200被置于衬底处理工具中时使得该设备适当地测量处理参数。主存储器209可为集成电路形式，例如RAM、DRAM、ROM等。收发器211可被设置为将数据和/或电力传递至设备200或传递来自设备200的数据和/或电力。
如图2B中所示，两个或更多个组件封装100A可被直接安装在衬底201的顶部表面上。可选地，如图2C中所示，可使用经由运动安装件133安装外壳的运动结构206将两个或更多个组件封装100A安装在衬底201的顶部表面上。这允许组件封装100A与衬底201之间有一间隙，从而进一步使电池与衬底隔绝。运动结构206可包含槽或凹槽来容纳运动安装件133，如，如上文所述的销。进一步，如图2D中所示，两个或更多个组件封装100A可被安装在形成于衬底201的顶部表面中的衬底腔从而提供低轮廓。组件封装100A可经由运动安装件133被安装至外部腔体中的运动结构206。
如上所述，在外壳的侧的孔中使用足够小的直径的销，可在减少与衬底的热接触的同时提供将组件封装100A安装至衬底201的稳定性。仍如上所述，可将盖136安装至衬底201，并且覆盖衬底201以及将外壳126安装至其内的腔体。可选地，每一个腔体可具有独立的盖。进一步，可选地，每一个组件封装100A可在没有盖的情况下被安装于腔体中。
通过对组件102、外壳126、插入件128、和覆盖件134的厚度的适当选择，测量设备200的轮廓可被制成在衬底201的表面以上小于2mm。这样的设备可被用于在不机械地干扰处理工具操作的情况下在半导体处理工具中进行原位的处理条件的测量。
对上述实施例的众多变化落在本发明的实施例的范围内。例如，插入件128的下壁或侧壁的厚度可取决于热源是位于组件封装之上面、下面还是侧面而变化。类似地，覆盖件134的厚度可改变、或将该覆盖件完全省略，这取决于热源是位于组件封装上面还是下面。
虽然已参考本发明的某些优选版本相当详细地描述了本发明，但其它的版本也是可能的。例如，虽然图1B-1C中示出了抽气孔，但本发明的实施例包括其中省略了抽气孔的构造。因此，所附权利要求的精神和范围不应限于本文中所包含的优选版本的描述。而是，本发明的范围应当参考随附的权利要求、以及其等效物的全部范围来确定。除非另有直接说明，否则本说明书(包含任何所附权利要求、摘要和附图)中所揭示的所有特征皆可由用于达到相同、等效或类似目的的可替代特征来替换。因此，除非另有直接说明，否则所公开的每一个特征仅是一组等效或类似特征的一个示例。
虽然上文是本发明的优选实施例的完整说明，但可使用各种替代、修改及等效物。因此，本发明的范围不应参考上述描述来确定，而是应参考随附权利要求连同其等效物的全部范围来确定。任何特征，无论其是否优选，均可与无论是否优选的任何其它特征组合。在随附的权利要求中，除非另有直接说明，否则不定冠词“一(A)”或“一(An)”是指跟随该冠词的项的一个或多个的量。随附权利要求不被解释为包括手段加功能（means-plus-function）的限制，除非在使用短语“用于…的方法”的给定权利要求中明显使用了这样的限制。未明确表示“用于…的手段”执行特定功能的权利要求中的任意组件皆不应被理解为如35USC§112,中所规定的“装置”或“步骤”条款。特定地，在此处的权利要求中使用“….的步骤”并不意在涉及35USC§112,的规定。
请读者注意与本说明书同时提交的且对公众查阅本说明书开放的所有文件及文献，且所有这样的文件及文献的内容以参考方式并入本文。

Claims (30)

1.一种薄热绝缘电子组件封装，包括：
薄电子组件；
热绝缘外壳；
由热绝缘材料制成的且尺寸和形状被制成可装配在该热绝缘外壳中的插入件，其中所述插入件包括尺寸和大小被制成可容纳所述薄电子组件的内部腔体，其中所述插入件由低导热材料和吸热材料的交替间隔层制成；以及
被设置为将所述热绝缘外壳安装至衬底的一个或多个结构。
2.如权利要求1所述的热绝缘电子组件封装，其特征在于，所述薄电子组件包括电池。
3.如权利要求1所述的热绝缘电子组件封装，其特征在于，所述热绝缘外壳由一种或多种高热容材料制成。
4.如权利要求3所述的热绝缘电子组件封装，其特征在于，所述高热容材料包括不锈钢、或陶瓷材料。
5.如权利要求3所述的热绝缘电子组件封装，其特征在于，所述高热容材料包括奥氏体镍铬基超耐热合金、或镍钴铁合金。
6.如权利要求1所述的热绝缘电子组件封装，其特征在于，所述热绝缘外壳由低热导率材料制成。
7.如权利要求1所述的热绝缘电子组件封装，其特征在于，所述热绝缘外壳由低发射率及高热容材料制成。
8.如权利要求1所述的热绝缘电子组件封装，其特征在于，所述热绝缘外壳由不锈钢、或陶瓷材料制成。
9.如权利要求1所述的热绝缘电子组件封装，其特征在于，所述热绝缘外壳由奥氏体镍铬基超耐热合金、或镍钴铁合金制成。
10.如权利要求8或9所述的热绝缘电子组件封装，其特征在于，所述热绝缘外壳的壁的厚度为10到15密耳。
11.如权利要求1所述的热绝缘电子组件封装，其特征在于，所述热绝缘外壳的内和外表面被涂覆有包含低发射率材料的薄膜。
12.如权利要求11所述的热绝缘电子组件封装，其特征在于，所述低发射率材料是金。
13.如权利要求1所述的热绝缘电子组件封装，其特征在于，一个或多个所述结构包括被设置成可装配至所述热绝缘外壳的侧中的一个或多个对应孔中的一个或多个销。
14.如权利要求1所述的热绝缘电子组件封装，其特征在于，所述热绝缘外壳的总厚度为5到6mm或更少。
15.如权利要求1所述的热绝缘电子组件封装，其特征在于，所述热绝缘外壳被抽空且被密封的。
16.如权利要求1所述的热绝缘电子组件封装，其特征在于，还包括大小和形状被制成覆盖所述电子组件并封闭所述内部腔体的覆盖件。
17.如权利要求16所述的热绝缘电子组件封装，其特征在于，所述覆盖件由与所述插入件一样的材料制成。
18.如权利要求1所述的热绝缘电子组件封装，其特征在于，还包括盖，所述盖接合至所述热绝缘外壳的壁的顶部，或接合至所述热绝缘电子组件封装被安装至其的衬底。
19.如权利要求18所述的热绝缘电子组件封装，其特征在于，所述盖由具有与所述热绝缘外壳的热膨胀特性类似的热膨胀特性的材料制成。
20.如权利要求1所述的热绝缘电子组件封装，其特征在于，所述插入件由热绝缘陶瓷材料制成。
21.如权利要求20所述的热绝缘电子组件封装，其特征在于，所述陶瓷材料是可加工的陶瓷材料。
22.一种适合于高温环境中的处理条件的电子仪器，包括：
衬底；
一个或多个薄热绝缘电子组件封装，所述封装具有：
被设置为安装至衬底的热绝缘外壳；
被设置成用于提供所述热绝缘外壳与所述衬底之间的支撑的多个支架，其中在所述热绝缘外壳的底部表面与所述衬底之间存在有间隙；
由热绝缘材料制成且其大小和形状被制成为可装配在所述热绝缘外壳内的插入件，其中所述插入件包括大小和形状被制成为可容纳薄电子组件的内部腔体，以及所述插入件由低导热材料和吸热材料的交替间隔层制成；以及
设置在所述内部腔体中的薄电子组件。
23.如权利要求22所述的仪器，其特征在于，所述热绝缘外壳被安装在所述衬底的顶部表面上。
24.如权利要求22所述的仪器，其特征在于，所述衬底包括衬底腔，且所述热绝缘外壳被安装在所述衬底腔中。
25.如权利要求24所述的仪器，其特征在于，还包括被设置为覆盖所述衬底和所述电子组件的盖。
26.如权利要求25所述的仪器，其特征在于，所述盖由与所述衬底一样的材料制成。
27.如权利要求22所述的仪器，其特征在于，还包括盖，所述盖被接合至所述插入件的顶部、或被结合至所述热绝缘外壳的壁的顶部、或被结合至所述衬底。
28.如权利要求27所述的仪器，其特征在于，所述盖由具有与所述热绝缘外壳或所述衬底的热膨胀特性类似的热膨胀特性的材料制成。
29.如权利要求23所述的仪器，其特征在于，还包括被设置为将所述热绝缘外壳安装至衬底的一个或多个结构。
30.如权利要求29所述的仪器，其特征在于，所述结构中的一个或多个包括一个或多个销，每一销具有被设置为可装配至所述热绝缘外壳的侧中的一个或多个对应孔中或所述衬底上的一个或多个结构中的第一端，其中所述一个或多个结构中的每一个被设置为容纳所述销中的所对应的一个的第二端。
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