半導(dǎo)體裝置及其組裝方法
【專利摘要】提供了用于微電子、光子和光電裝置的倒裝芯片組裝以及封裝的技術(shù)，其中，封裝組件的三維對準(zhǔn)是在回流焊工藝中使用焊料表面張力移動一個或多個封裝組件并且使用機(jī)械止擋和芯片對接技術(shù)在X、Y和Z方向上對準(zhǔn)此類組件而實現(xiàn)的。
【專利說明】
半導(dǎo)體裝置及其組裝方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本公開大體涉及微電子、光子和光電裝置的組裝。
【背景技術(shù)】
[0002]通常，用于組裝倒裝芯片(flip-chip)封裝結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)技術(shù)典型地將通過光刻定義的機(jī)械止擋(stop)與回流焊工藝結(jié)合使用，以在一維或二維上對準(zhǔn)各組件。然而，由于存在于某些制造和組裝工藝中的各種各樣的公差，這種對準(zhǔn)和封裝技術(shù)可能無法有效地精確地對準(zhǔn)封裝組件。例如，當(dāng)將晶片切割為多個類似芯片時，切割出的芯片(裸芯)的尺寸可能存在+/-15μηι范圍內(nèi)的差異(variat1ns)。而且，當(dāng)使用高速取放工具進(jìn)行倒裝芯片組裝時，初始芯片(裸芯)放置可能存在+/-ΙΟμπι范圍內(nèi)的差異。當(dāng)使用機(jī)械止擋和回流焊技術(shù)進(jìn)行對準(zhǔn)時，芯片尺寸和放置的這種差異可能造成被組裝組件的錯位。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]總的來說，本發(fā)明的實施例包括能夠在回流焊工藝過程中使用焊料表面張力來移動一個或多個封裝組件并且使用芯片對接和機(jī)械止擋來獲得該組件的多維對準(zhǔn)從而實現(xiàn)封裝組件的倒裝芯片組裝的裝置和方法。
[0004]在本發(fā)明的一個實施例中，提供一種用于組裝具有第一和第二芯片的半導(dǎo)體裝置的方法。所述第一芯片包括由凹陷表面和側(cè)壁表面限定的腔區(qū)域，其中所述第一芯片包括形成在所述第一芯片的所述凹陷表面上的第一接合墊陣列，其中焊料設(shè)置在第一接合墊上，其中所述第一芯片包括設(shè)置在所述第一芯片的所述凹陷表面上的多個垂直支撐結(jié)構(gòu)，并且其中所述第一芯片包括設(shè)置在所述側(cè)壁表面上的第一電路組件。所述第二芯片包括形成在所述第二芯片的表面上的第二接合墊陣列和對準(zhǔn)止擋，其中所述第二接合墊陣列對應(yīng)于所述第一接合墊陣列，并且其中所述第二芯片包括設(shè)置在所述第二芯片的側(cè)表面上的第二電路組件。所述組裝方法包括:將所述第二芯片放置在所述第一芯片的所述腔中的初始位置中且使所述第二接合墊陣列面對所述第一接合墊陣列、使所述第二芯片安置在所述多個垂直支撐結(jié)構(gòu)的頂部上。在所述初始位置中，所述第一接合墊陣列和第二接合墊陣列在水平的X和Y方向上是錯位的，并且所述第一電路組件和第二電路組件在垂直的Z方向上是對準(zhǔn)的。執(zhí)行回流焊工藝以使得所述第一接合墊上的焊料接觸所述第二芯片的第二接合墊中的對應(yīng)接合墊并且使得所述第二芯片在X和Y方向上移動的同時沿著所述垂直支撐結(jié)構(gòu)的頂表面滑動，從而使所述第二芯片的第二電路組件與所述第一芯片的第一電路組件在X、Y和Z方向上對準(zhǔn)。在X方向上的對準(zhǔn)是通過所述對準(zhǔn)止擋與至少一個所述垂直支撐結(jié)構(gòu)的接觸獲得的，并且在Y方向上的對準(zhǔn)是通過所述第一芯片的側(cè)壁表面與所述第二芯片的側(cè)表面之間的接觸獲得的。
[0005]在本發(fā)明的另一實施例中，所述第一芯片包括光子芯片，而所述第二芯片包括半導(dǎo)體激光芯片。所述第一電路組件包括多個半導(dǎo)體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，所述半導(dǎo)體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有暴露在所述第一芯片的側(cè)壁表面上的輸入，并且其中所述第二電路組件包括半導(dǎo)體激光波導(dǎo)，所述半導(dǎo)體激光波導(dǎo)具有暴露在所述第二芯片的側(cè)表面上的輸出。
[0006]通過下文中對實施例的詳細(xì)說明，本發(fā)明的這些及其他實施例將得以描述或變得顯而易見，并且應(yīng)將該詳細(xì)說明與附圖結(jié)合閱讀。
【附圖說明】
[0007]圖1A、1B和IC示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的光子芯片，其中圖1是光子芯片的俯視示意圖，圖1B是沿圖1A中線1B-1B截取的光子芯片的剖面?zhèn)纫暿疽鈭D，并且其中圖1C是沿圖1A中線1C-1C截取的光子芯片的局部剖面?zhèn)纫暿疽鈭D；
[0008]圖2A和2B示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的激光芯片，其中圖2A是激光芯片的俯視示意圖，而圖2B是沿圖2A中線2B-2B截取的激光芯片的剖面?zhèn)纫暿疽鈭D；
[0009]圖3是示出了形成在圖1A中光子芯片上的波導(dǎo)的波導(dǎo)輸入接口的透視圖；
[0010]圖4A和4B示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的激光芯片和光子芯片的倒裝芯片組裝方法;其中圖4A是在回流焊工藝之前、將激光芯片初始放置在光子芯片的凹陷腔內(nèi)時、包括激光芯片和光子芯片的組裝的平面示意圖；而圖4B是在回流焊工藝之后的組裝的平面示意圖，其中激光芯片和光子芯片在X、Y和Z方向上自對準(zhǔn)；
[0011]圖5Α、5Β和5C示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的激光芯片和光子芯片在Y和Z方向上對準(zhǔn)的過程;其中圖5Α和5Β分別是初始放置階段和焊料熔化/回流階段中沿圖4Α所示的線Ll-Ll截取的剖面?zhèn)纫暿疽鈭D；并且其中圖5C是沿圖4Β所示的線L2-L2截取的剖面?zhèn)纫暿疽鈭D，其示出了在回流焊階段結(jié)束時光子芯片和激光芯片在Y和Z方向上的對準(zhǔn)；
[0012]圖6Α和6Β示意性地示出了根據(jù)本發(fā)明實施例的激光芯片和光子芯片在Y和Z方向上對準(zhǔn)的過程;其中圖6Α是在初始放置階段中沿圖4Α所示的線L3-L3截取的局部剖面?zhèn)纫晥D；并且其中圖6Β是沿圖4Β所示的線L4-L4截取的局部剖面?zhèn)纫暿疽鈭D，其示出了在回流焊階段結(jié)束時光子芯片和激光芯片在X和Z方向上的對準(zhǔn)。
【具體實施方式】
[0013]現(xiàn)在將關(guān)于使用倒裝芯片封裝技術(shù)組裝微電子、光子和光電裝置而更詳細(xì)地討論本發(fā)明的實施例，其中，封裝組件的三維對準(zhǔn)是通過使用回流焊工藝中的焊料表面張力來移動一個或多個封裝組件并且使用機(jī)械止擋和芯片對接技術(shù)使此類組件在Χ、γ和Z方向上對準(zhǔn)而實現(xiàn)的。
[0014]雖然本發(fā)明的各實施例可在構(gòu)建倒裝芯片組件的各種各樣的應(yīng)用中使用，但出于例示的目的，將在其中使用回流焊工藝中的焊料表面張力來移動激光芯片并且使用芯片對接和機(jī)械止擋使激光芯片與光子芯片對準(zhǔn)從而對準(zhǔn)激光芯片和光子芯片的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)三維對準(zhǔn)的光學(xué)應(yīng)用下討論本發(fā)明的示范性實施例。
[0015]如下文中詳細(xì)解釋的，在回流焊工藝中，熔融焊料的表面張力可使芯片移動多于ΙΟΟμπι。我們利用這些運動、通過將運動約束至由光刻定義的機(jī)械止擋并且通過芯片表面/邊緣對接來獲得自對準(zhǔn)。例如，在本發(fā)明的一實施例中，Y(水平)方向上的對準(zhǔn)是通過激光芯片的發(fā)射平面與光子芯片的接收波導(dǎo)的接觸而獲得的。多個垂直支撐結(jié)構(gòu)集成在光子芯片的基板中，從而提供激光芯片和光子芯片在Z(垂直)方向上的支撐和對準(zhǔn)。而且，Χ(水平)方向上的對準(zhǔn)是通過在回流焊工藝中、由光刻定義的伸出的機(jī)械止擋(其集成在激光芯片的表面上)與基板的其中至少一個垂直支撐結(jié)構(gòu)的接觸而獲得的。
[0016]本發(fā)明的示范性實施例可以與標(biāo)準(zhǔn)高速取放工具作用結(jié)合實施，隨后執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)回流焊，以進(jìn)行高精度倒裝芯片組裝。而且，雖然示范性實施例是參照InP激光倒裝芯片組件與Si納米光子芯片的對準(zhǔn)而描述的，但在此描述的技術(shù)可應(yīng)用于需要高對準(zhǔn)精度的任意倒裝芯片組裝。
[0017]圖1A、IB和IC示意性地例示了根據(jù)本發(fā)明實施例的光子芯片100(例如，納米光子芯片)。具體地，圖1A是光子芯片100的俯視示意圖，圖1B是光子芯片100沿圖1A所示的線IB-1B截取的剖面?zhèn)纫暿疽鈭D，并且圖1C是光子芯片100沿圖1A所示的線1C-1C截取的局部剖面?zhèn)纫暿疽鈭D。圖2A和2B示意性地例示了根據(jù)本發(fā)明實施例的激光芯片200 ο具體地，圖2A是激光芯片200的俯視示意圖，圖2B是激光芯片200沿圖2A所示的線2B-2B截取的剖面?zhèn)纫暿疽鈭D。
[0018]共同參照圖1A、IB和1C，光子芯片100包括基板102(例如，硅基板)，基板102在光子芯片100的刻蝕腔區(qū)域104內(nèi)具有凹陷表面102-1。多個垂直支撐結(jié)構(gòu)106-1、106-2、106-3、106-4和108設(shè)置在腔區(qū)域104的凹陷表面102-1上。如圖1B和IC所示，垂直支撐結(jié)構(gòu)106-1、106-2、106-3、106-4和108形成為具有在基板102的凹陷表面102-1上方的高度Hl。在本發(fā)明的實施例中，垂直支撐結(jié)構(gòu)106-1、106-2、106-3、106-4和108是在凹陷腔區(qū)域104的形成過程中、使用標(biāo)準(zhǔn)光刻和刻蝕技術(shù)形成的。
[0019]如下文中更詳細(xì)討論的，垂直支撐結(jié)構(gòu)106-1、106-2、106-3、106-4和108配置為在組裝過程中與激光芯片200的表面接觸，并且因此在激光芯片200和光子芯片100的倒裝芯片組裝過程中充當(dāng)用于Z方向?qū)?zhǔn)的垂直支撐體(或粧)。而且，如下文中解釋的，垂直支撐結(jié)構(gòu)108還在激光芯片200和光子芯片100的倒裝芯片組裝過程中充當(dāng)用于X方向?qū)?zhǔn)的機(jī)械止擋。
[0020]在本發(fā)明的一個實施例中，使垂直支撐結(jié)構(gòu)108(其用于X方向?qū)?zhǔn))(截面接觸區(qū)域)大于其他垂直支撐結(jié)構(gòu)106-1、106-2、106-3和106-4，以便有效地抵抗在X方向?qū)?zhǔn)過程中施加于垂直支撐結(jié)構(gòu)108的水平力。使其他垂直支撐結(jié)構(gòu)106-1、106-2、106-3和106-4相對較小(截面接觸區(qū)域)，以在激光芯片200的表面在垂直支撐結(jié)構(gòu)106-1、106-2、106-3和106-4的頂部上沿X和Y水平方向可滑動地移動時使阻力最小化。例如，垂直支撐結(jié)構(gòu)108的截面面積可為50μπι χ50μπι，而其他垂直支撐結(jié)構(gòu)106-1、106-2、106-3和106-4的截面面積可形成為30μηι χ30μηι。
[0021]如圖1Α、IB和IC進(jìn)一步所示，第一接合墊陣列110形成在基板102的凹陷表面102-1上。第一接合墊陣列110包括多個金屬接合墊(比如金屬接合墊110-1、110-2、110-3和110-4，其具體標(biāo)示以用于討論的目的)。在本發(fā)明的一個實施例中，第一接合墊陣列110是通過使用標(biāo)準(zhǔn)UBM(凸點下金屬化)技術(shù)形成的，其中該金屬接合墊可由N1、Cu或Au或其組合(例如，Iym Ni/0.2μηι Cu/0.Ιμπι Au)形成。
[0022]光子芯片100還包括形成在凹陷腔區(qū)域104外、基板102的上表面上的第一絕緣層112(例如，硅氧化物層)、多個波導(dǎo)120、BE0L(后端工藝(back end of line))結(jié)構(gòu)114和第二絕緣層116(例如，聚酰亞胺層)。如圖1A所示，多個波導(dǎo)120包括分離的波導(dǎo)120-1、120-2、120-3、120-4、120-5、120-6、120-7和 120-8。在本發(fā)明的一個實施例中，波導(dǎo) 120-1、120-2、120-3、120-4、120-5、120-6、120-7和120-8是單模硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。如圖1B所示，波導(dǎo)120設(shè)置在垂直支撐結(jié)構(gòu)(例如，垂直平衡物106-3)的頂表面上方的垂直高度H3處。
[0023]如圖1A 進(jìn)一步所示，每個波導(dǎo) 120-1、120-2、120-3、120-4、120-5、120-6、120-7 和120-8具有位于多個伸出波導(dǎo)部分122中的對應(yīng)一個的邊緣處的波導(dǎo)輸入。這些波導(dǎo)部分122是通過沿著凹陷腔104的一個邊緣區(qū)域、對層112、120和114進(jìn)行刻蝕/圖案化而形成的。該伸出波導(dǎo)部分122提供波導(dǎo)輸入接口。
[0024]具體地，圖3是示出了用于提供光子芯片100的波導(dǎo)120的波導(dǎo)輸入接口的多個伸出波導(dǎo)部分122的透視圖。在本發(fā)明的一實施例中，該伸出波導(dǎo)部分122是通過對第一絕緣層112、硅波導(dǎo)層120和BEOL層114進(jìn)行RIE(反應(yīng)離子刻蝕)以形成該伸出波導(dǎo)部分122的圖案而形成的，每個與一個對應(yīng)的波導(dǎo)120的輸入對準(zhǔn)。該伸出波導(dǎo)部分122形成波導(dǎo)輸入接口。而且，如下文解釋的，該伸出波導(dǎo)部分122充當(dāng)用于Y方向?qū)?zhǔn)的機(jī)械止擋，其中激光芯片200的劈開邊緣(側(cè)表面)在激光芯片200與光子芯片100的倒裝芯片組裝和對準(zhǔn)期間與該伸出波導(dǎo)部分122平接(butted up against)。
[0025]如圖1B和IC中進(jìn)一步所示，為了實現(xiàn)激光芯片200與光子芯片100的倒裝芯片接合，至少在第一接合墊陣列110中的至少一些或所有金屬接合墊(例如，接合墊110-1、110-
2、110-3和110-4，如具體所示)上形成焊料130。在本發(fā)明的一個實施例中，焊料130采用例如電鍍工藝沉積在接合墊110上。在本發(fā)明的一個實施例中，焊料130由Sn和Ag形成，例如，Sn-0.6wt % Ag形成。
[0026]接下來，如圖2A和2B共同所示，激光芯片200包括基板202(例如，硅基板)，硅基板202具有第一側(cè)邊緣202-1、第二側(cè)邊緣202-2和底表面202-3。通過光刻在基板202的底表面202-3上形成對準(zhǔn)止擋208。如下文中進(jìn)一步詳細(xì)解釋的，對準(zhǔn)止擋208充當(dāng)機(jī)械止擋，在激光芯片200和光子芯片100的倒裝芯片組裝過程中，垂直支撐結(jié)構(gòu)108抵接對準(zhǔn)止擋208以進(jìn)行X方向?qū)?zhǔn)。在本發(fā)明的一個實施例中，對準(zhǔn)止擋208形成為具有約50μπι的寬度和約200μπι的長度。
[0027]如圖2Α和2Β中進(jìn)一步所示，第二接合墊陣列210形成在激光芯片200的基板202的底表面202-3上。第二接合墊陣列210包括多個金屬接合墊(比如金屬接合墊210-1、210-2、210-3和210-4，其具體標(biāo)示以用于討論的目的)，其匹配于形成在光子芯片100的基板102的凹陷表面102-1上的第一接合墊陣列110的對應(yīng)金屬接合墊。在本發(fā)明的一個實施例中，第二接合墊陣列210通過使用標(biāo)準(zhǔn)UBM技術(shù)而形成，其中，該金屬接合墊可由N1、Cu或Au或其組合(例如，Iwn Ni/0.2μηι Cu/0.Ιμπι Au)形成。
[0028]應(yīng)注意的是，在此使用的術(shù)語“接合墊”指的是用于通過焊料130連接將第一芯片(例如，激光芯片200)倒裝芯片接合至第二芯片(例如，光子芯片100)的對應(yīng)接合墊110和210。對應(yīng)接合墊110/201的焊接對(soldered pair)可以是僅僅充當(dāng)芯片之間結(jié)構(gòu)化倒裝芯片接合的被動結(jié)構(gòu)。此外，對應(yīng)接合墊110/201的焊接對不僅可用于結(jié)構(gòu)化接合，還可用于芯片之間的電連接(電源、接地、I/O信號等等)。而且，基于應(yīng)用，芯片的表面上也可存在實際上不用于倒裝芯片接合的其他金屬接合墊。
[0029]如下文進(jìn)一步詳細(xì)解釋的，倒裝芯片組裝工藝中的關(guān)鍵參數(shù)是沉積在金屬接合墊110上的焊料130的量。在本發(fā)明的一個實施例中，焊料130形成在金屬接合墊(例如，接合墊110-1、110-2、110-3和110-4)上，使得焊料130和相關(guān)聯(lián)的接合墊110的總高度H2小于垂直支撐結(jié)構(gòu)106、108的高度H1。此相對高度差(H1-H2)提供了焊料130頂部與形成在激光芯片200上的金屬接合墊210之間的間隙G。如下文解釋的，由于在將激光芯片200倒裝芯片組裝至光子芯片100的回流焊工藝中的焊料表面張力，該間隙對于生成X、Y和Z方向中每一方向上的自對準(zhǔn)力是至關(guān)重要的。
[0030]再次參照圖2Α和2Β，激光芯片200還包括多個激光波導(dǎo)220，例如，激光波導(dǎo)220-1、220-2、220-3、220-4、220-5、220-6、220-7 和 220-8。激光波導(dǎo) 220 形成在激光芯片 200 的基板202內(nèi)并且從激光芯片200的第一側(cè)邊緣202-1延伸至第二側(cè)邊緣202-2。激光波導(dǎo)220的光發(fā)射端位于激光芯片200的第一側(cè)邊緣202-1處，而激光波導(dǎo)220的非發(fā)射端位于激光芯片200的第二側(cè)邊緣202-2處。在本發(fā)明的一個實施例中，激光芯片200包括邊發(fā)射型激光器，其中激光光線在沿著半導(dǎo)體激光芯片200的波導(dǎo)220的方向上傳播，并且被波導(dǎo)220的光發(fā)射端處的劈開邊緣(例如，第一側(cè)邊緣202-1)反射或耦合。
[0031]現(xiàn)在將參照圖4六、48、5六、58、5(:、64和68進(jìn)一步詳細(xì)討論根據(jù)本發(fā)明實施例的用于將激光芯片200倒裝芯片組裝至光子芯片100的示范性方法。圖4Α是包括激光芯片200和光子芯片100的組裝300的示意性平面圖，其中，在回流焊工藝之前，激光芯片200初始放置在光子芯片100的凹陷腔104內(nèi)。圖4Β是回流焊工藝之后組裝300的示意性平面圖，其中激光芯片200和光子芯片100在Χ、Υ和Z方向上是自對準(zhǔn)的。
[0032]而且，圖5Α、5Β和5C示意性地例示了在組裝工藝的不同階段、激光芯片200在Y和Z方向上相對于光子芯片100的位置。具體地，圖5Α是沿圖4Α所示的線Ll-Ll截取的組裝300的剖面?zhèn)纫暿疽鈭D，其示出了在將激光芯片200初始放置在光子芯片100的凹陷腔104內(nèi)的初始放置階段之后、激光芯片200在Y和Z方向上相對于光子芯片100的初始位置。圖5Β是沿圖4Α所示的線Ll-Ll截取的組裝300的剖面?zhèn)纫暿疽鈭D，其例示了在焊料熔融和回流焊的初始階段、激光芯片200在Y和Z方向上相對于光子芯片100的位置。圖5C是沿圖4Β所示的線L2-L2截取的、回流焊工藝結(jié)束后組裝300的剖面?zhèn)纫暿疽鈭D，其中光子芯片100和激光芯片200在Y和Z方向上在目標(biāo)位置處彼此自對準(zhǔn)。
[0033]而且，圖6Α和6Β示意性地例示了在組裝工藝中的不同階段、激光芯片200在X和Z方向上相對于光子芯片100的位置。具體地，圖6Α是沿圖4Α所示的線L3-L3截取的組裝300的局部剖面?zhèn)纫暿疽鈭D，其例示了在將激光芯片200初始放置在光子芯片100的凹陷腔104內(nèi)的初始放置階段之后、激光芯片200在X和Z方向上相對于光子芯片100的初始位置。圖6Β是沿圖4Β所示的線L4-L4截取的、在回流焊工藝結(jié)束后組件300的局部剖面?zhèn)纫暿疽鈭D，其中光子芯片100和激光芯片200在目標(biāo)位置處在X和Z方向上彼此自對準(zhǔn)。
[0034]共同參照圖4Α、5Α和6Α，根據(jù)本發(fā)明實施例的倒裝芯片組裝過程的初始步驟包括將激光芯片200放置在光子芯片100的凹陷腔104內(nèi)。在本發(fā)明的一個實施例中，此步驟通過在晶片切割工藝之后使用用于倒裝芯片技術(shù)的任意標(biāo)準(zhǔn)取放工具/工藝來執(zhí)行。大體上，晶片切割涉及將晶片(其包括，例如，多個形成于其上的激光芯片200)安裝在環(huán)刀上;在晶片的背面鋪開晶片帶(wafer tape);將晶片安裝在切割盤上；以及使用金剛石刀片將晶片切割為單獨的裸芯(例如，單獨的激光芯片)。通過晶片切割工藝，晶片被切成單獨的裸芯而不會穿透晶片帶，使得單獨的裸芯在切割工藝之后保持附著至晶片帶。在晶片切割之后，取放機(jī)(半自動的或全自動的)用于將單獨的裸芯(例如，激光芯片200)從晶片帶上(經(jīng)由真空夾頭(vacuum collet))提起，并且將裸芯放置到例如基板、封裝或其他裸芯堆疊上(例如，將激光芯片200放置在光子芯片100上)。通過自動取放工具、使用圖案識別系統(tǒng)自動執(zhí)行X和Y定位。
[0035]如圖4A和5A所示，例如，激光芯片200初始放置在光子芯片100的凹陷腔104內(nèi)，而激光芯片200的第一側(cè)邊緣202-1(激光發(fā)射邊緣)設(shè)置為離開伸出波導(dǎo)部分122(波導(dǎo)接口)一距離處，其中該伸出波導(dǎo)部分122包含光子芯片100的波導(dǎo)120的波導(dǎo)輸入。此初始距離部分地基于芯片切割(或芯片劈開(cleaving))工藝的公差以及用于將激光芯片200初始定位在光子芯片100上的取放工具的芯片放置公差。
[0036]例如，如上所述，芯片切割工藝在切割芯片的尺寸上的公差可為約+/-15μπι，并且取放工具可具有+/-ΙΟμπι的對準(zhǔn)精度公差。在這一方面，最壞情況下可能會因切割和對準(zhǔn)公差而存在+/_25μπι的公差。因此，在本發(fā)明的一個實施例中，如圖4Α和5Α示意性所示，對于激光芯片200的初始放置，激光芯片200的接合墊210(例如，接合墊210-3和210-4)可以在距光子芯片100的對應(yīng)接合墊110(例如，相應(yīng)接合墊110-3和110-4)的邊緣為25μπι或更遠(yuǎn)的距離Dl處，而在Y方向上故意錯位。
[0037]而且，基于放置過程的+/-ΙΟμπι的對準(zhǔn)精度公差，在本發(fā)明的一個實施例中，如圖4Α和6Α示意性所示，激光芯片200的接合墊210(例如，接合墊210-1和210-2)可以在距光子芯片100的對應(yīng)接合墊110(例如，相應(yīng)接合墊110-1和110-2)的邊緣為ΙΟμπι或更遠(yuǎn)的距離D2處、在X方向上故意錯位。
[0038]激光芯片200的接合墊210與光子芯片100的對應(yīng)接合墊110之間的最大錯位量(對于初始放置)可隨接合墊110和210在X和Y方向上的節(jié)距和/或尺寸而變化。例如，對應(yīng)接合墊110和210的錯位不應(yīng)過大以防止激光芯片200上的接合墊210被光子芯片100的對應(yīng)接合墊110上的焊料130焊料潤濕，或者允許指定接合墊110上的焊料130潤濕激光芯片200上的接合墊210中的對應(yīng)接合墊210和相鄰接合墊。
[0039]關(guān)于Z方向上的對準(zhǔn)，例如，圖5Α和6Α顯示了激光芯片200的底表面202-3與垂直支撐結(jié)構(gòu)106-1、106-3和108的頂表面相接觸。由此，在拾取和放置過程之后，激光芯片200安置于垂直支撐結(jié)構(gòu)的頂部。這種垂直定位是有可能的，因為每一焊料130/接合墊110結(jié)構(gòu)的總高度Η2小于垂直支撐結(jié)構(gòu)106-1、106-3和108的高度Hl，從而提供焊料130與激光芯片200底表面202-3上對應(yīng)接合墊210之間的間隙G。
[0040]在圖5Α所示的垂直定位中，激光芯片200的激光波導(dǎo)220與光子芯片100的波導(dǎo)120對準(zhǔn)(在垂直Z方向上)。這是因為激光波導(dǎo)220和激光芯片200的底表面202-3之間的距離Η3等于從垂直支撐結(jié)構(gòu)106-1、106-3和108的頂部到光子芯片100的波導(dǎo)120之間的垂直高度Η3ο
[0041]在拾取和放置過程結(jié)束之后，開始回流焊工藝。如圖5Β所描繪的，在回流焊工藝的初始階段，當(dāng)平坦的電鍍焊料130開始熔融時，該平坦的電鍍焊料130變?yōu)榍蛐危@使得焊料130與激光芯片200的底表面202-3上的接合墊中的對應(yīng)接合墊(例如，焊盤210-3、210-4)相接觸。
[0042]一旦熔融的焊料130接觸激光芯片200的接合墊210，該熔融的焊料130就開始潤濕焊盤210并且遍布到接合墊210上。在回流過程中，激光芯片200的接合墊210上的熔融焊料130的表面張力有效地導(dǎo)致激光芯片200在X和Y方向上的運動，從而最小化熔融焊料130的表面能量。具體地，如圖5C所示，激光芯片200在Y方向上移動，直至激光芯片200的第一側(cè)邊緣202-1緊靠光子芯片100的伸出波導(dǎo)部分122。而且，如圖6Β所示，激光芯片200在X方向上移動，直至激光芯片200的底表面202-3上的對準(zhǔn)止擋208緊靠垂直支撐結(jié)構(gòu)108。
[0043]一旦激光芯片200的第一側(cè)邊緣202-1緊靠伸出波導(dǎo)部分122(圖5C)并且對準(zhǔn)止擋208緊靠垂直支撐結(jié)構(gòu)108(圖6B)，激光芯片200就將在X和Y兩個方向上均與光子芯片100對準(zhǔn)。在這種XY對準(zhǔn)的狀態(tài)下，如圖4B所描繪的，激光芯片200的激光波導(dǎo)220-1、220-2、220_
3、220-4、220-5、220-6、220-7和220-8的輸出對準(zhǔn)并且接觸光子芯片100的伸出波導(dǎo)部分122 中的對應(yīng)波導(dǎo) 120-1、120-2、120-3、120-4、120-5、120-6、120-7 和 120-8 的輸入。
[0044]如圖4B、5C和6B所示，在激光芯片200和光子芯片100的回流焊和對準(zhǔn)之后，保持光子芯片100的接合墊110與激光芯片200的對應(yīng)接合墊210在X和Y兩個方向上的一些錯位。所產(chǎn)生的在對應(yīng)接合墊110和210之間、X和Y兩個方向上的錯位確保了激光芯片200將繼續(xù)在X和Y方向上運動直至激光芯片200的第一側(cè)邊緣202-1與伸出波導(dǎo)部分122相接觸(Y方向?qū)?zhǔn))并且使對準(zhǔn)止擋208緊靠垂直支撐結(jié)構(gòu)108(X方向?qū)?zhǔn))。實際上，基于拉伸表面張力，如果對應(yīng)接合墊110和210的邊緣在X或Y方向上對準(zhǔn)，則在X或Y任一方向上的運動將實質(zhì)上在X或Y方向上停止。因此，通過防止對應(yīng)接合墊110和120的邊緣的對準(zhǔn)，確保了激光芯片200在X和Y方向上繼續(xù)運動，直至通過上述接觸機(jī)制機(jī)械地停止。
[0045]關(guān)于Z方向上的對準(zhǔn)，在回流焊過程中，激光芯片200的接合墊210上的熔融焊料130的表面張力有效地維持激光芯片200的底表面202-3可滑動地與垂直支撐結(jié)構(gòu)106-1、106-2、106-3、106-4和108的頂表面相接觸，同時使激光芯片200在X和Y方向上水平地移動并且在垂直支撐結(jié)構(gòu)106-1、106-2、106-3、106-4和108的頂部上滑動。因此，在從放置到回流焊和最終自對準(zhǔn)的整個組裝過程中有效地維持Z對準(zhǔn)。例如，如圖5C和6B所示，在回流焊之后，激光芯片 200 的激光波導(dǎo) 220-1、220-2、220-3、220-4、220-5、220-6、220-7 和 220-8 與對應(yīng)波導(dǎo) 102-1、120-2、120-3、120-4、120-5、120-6、120_7 和 120_8 垂直對準(zhǔn)。
[0046]回流焊過程中激光芯片200在X和Y方向上的運動以及XY對準(zhǔn)結(jié)果可取決于激光芯片200的底表面202-3與垂直支撐結(jié)構(gòu)106-1、106-2、106-3、106-4和108的頂表面之間的摩擦力。因此，為了最小化回流焊過程中激光芯片200的底表面202-3與垂直支撐結(jié)構(gòu)106-1、106-2、106-3、106-4和108的頂表面之間的摩擦力，可在某些制造步驟，例如，用于形成凹陷腔104和垂直支撐結(jié)構(gòu)的深反應(yīng)離子深刻蝕(deep RIE)工藝以及包括種子層沉積和刻蝕步驟的焊料電鍍工藝之后，利用已知的半導(dǎo)體制造技術(shù)來清潔垂直支撐結(jié)構(gòu)106-1、106-2、106-3、106-4 和 108 的表面。
[0047]在本發(fā)明的一個實施例中，在回流焊工藝過程中使用諸如甲酸的氣相助焊劑(vapor phase flux)，其與液型助焊劑(liquid type flux)相反。諸如甲酸的氣相助焊劑的使用使得能夠移除回流焊工藝過程中的錫氧化物，并且消除可能會隨著液型助焊劑而生成的助焊劑殘留的形成。助焊劑殘留會增加回流焊工藝過程中激光芯片200的底表面202-3與垂直支撐結(jié)構(gòu)106-1、106-2、106-3、106-4和108的頂表面之間的摩擦，并且阻礙激光芯片200的運動，由此阻礙適當(dāng)?shù)腦Y對準(zhǔn)。
[0048]而且，對于光學(xué)應(yīng)用，使用液型助焊劑而生成的助焊劑殘留和排出氣體無法與良好的光學(xué)特性相兼容。通過使用諸如甲酸的氣相助焊劑，不會生成助焊劑殘留，并且不需要清潔助焊劑殘留。因此，在回流焊之后，可執(zhí)行組裝工藝的下一階段，例如，在對準(zhǔn)的激光芯片200和光子芯片100之間分配光學(xué)填充材料，而無需執(zhí)行助焊劑殘留清潔過程。
[0049]如下文進(jìn)一步詳細(xì)解釋的，倒裝芯片組裝工藝中的關(guān)鍵參數(shù)是沉積在金屬接合墊110上的焊料130的量以及焊料130與激光芯片200的底表面202-3上的金屬接合墊210之間的間隙G(參見圖5A、6A)。與ID(僅Y方向)和2D(YZ方向)的自對準(zhǔn)相比，根據(jù)本發(fā)明一實施例的3D(XYZ方向)自對準(zhǔn)工藝具有更窄的工藝窗口并且必須考慮各種各樣的參數(shù)。通過實驗和計算，我們已確定焊料的水平和垂直表面張力為接合墊110和220之間的焊料量的函數(shù)。如上所示，電鍍焊料130/接合墊100結(jié)構(gòu)的總高度H2應(yīng)小于垂直支撐結(jié)構(gòu)的高度Hl，以使得當(dāng)焊料130熔融并且潤濕激光芯片200的接合墊210時、熔融焊料的表面張力將在激光芯片200上施加X、Y和Z方向上的拉力。
[0050]通過實驗和計算，我們已發(fā)現(xiàn)間隙G(其與焊料130的量有關(guān))的尺寸對于產(chǎn)生正確量的水平和垂直力以使得芯片能夠隨著在垂直支撐結(jié)構(gòu)上的滑動而在X和Y方向上有效地進(jìn)行可滑動的移動以及保持芯片抵靠該垂直支撐結(jié)構(gòu)的頂表面是至關(guān)重要的。對于大的間隙G尺寸(或小量的焊料)，水平力(X和Y方向上)減小至O，而對于小的間隙G尺寸(或大量的焊料)，垂直力(Z方向上)減小至O?；谶@些計算結(jié)果和模型，我們已確定理想的間隙G的尺寸是垂直支撐結(jié)構(gòu)的高度Hl的函數(shù):0.15 X Hl <G<0.25 X Hl。例如，在圖5A所示的實施例中，假設(shè)垂直支撐結(jié)構(gòu)(例如，垂直支撐結(jié)構(gòu)106-3)的高度Hl是ΙΟμπι，那么理想的間隙G將在約1.50μηι至約2.50μηι的范圍內(nèi)。該理想的間隙G將足以提供能夠在Hl = ΙΟμπι的情況下實現(xiàn)X、Y和Z方向上的適當(dāng)對準(zhǔn)的期望的水平和垂直力。
[0051]通過實驗，我們已確定，在此描述的根據(jù)本發(fā)明實施例的XYZ對準(zhǔn)方法有利地提供了在Χ、Υ和Z方向上小于Ιμπι的對準(zhǔn)精度。示范性的倒裝芯片組裝對準(zhǔn)方法考慮到了例如激光芯片200的芯片的分割或切割公差，其中，芯片的關(guān)鍵邊緣之間的對準(zhǔn)(例如，波導(dǎo)對準(zhǔn))是使用例如芯片對接(butting)實現(xiàn)的。對于光學(xué)應(yīng)用，在此討論的對準(zhǔn)方法能夠?qū)崿F(xiàn)激光芯片與Si納米光子芯片之間的精確對準(zhǔn)，與單模光學(xué)器件相適應(yīng)，而不管由標(biāo)準(zhǔn)高速取放工具提供的低的對準(zhǔn)精度(+/-1Omi)。
[0052]雖然已在此參照隨附附圖出于例示的目的描述了各實施例，但應(yīng)理解的是，本發(fā)明不限于那些具體的實施例，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明范圍的前提下可受此影響想到各種各樣的其他變化和修改。
【主權(quán)項】
1.一種用于組裝半導(dǎo)體裝置的方法，包括: 提供第一芯片，所述第一芯片包括由凹陷表面和側(cè)壁表面限定的腔區(qū)域，其中所述第一芯片包括形成在所述第一芯片的凹陷表面上的第一接合墊陣列，其中焊料設(shè)置在所述第一接合墊上，其中所述第一芯片包括設(shè)置在所述第一芯片的凹陷表面上的多個垂直支撐結(jié)構(gòu)，并且其中所述第一芯片包括設(shè)置在所述側(cè)壁表面上的第一電路組件； 提供第二芯片，其中所述第二芯片包括形成在所述第二芯片的表面上的第二接合墊陣列和對準(zhǔn)止擋，其中所述第二接合墊陣列對應(yīng)于所述第一接合墊陣列，并且其中所述第二芯片包括設(shè)置在所述第二芯片的側(cè)表面上的第二電路組件； 將所述第二芯片放置到所述第一芯片的所述腔中的初始位置且使所述第二接合墊陣列面對所述第一接合墊陣列、使所述第二芯片支撐在所述多個垂直支撐結(jié)構(gòu)的頂部上，其中在所述初始位置中，所述第一接合墊陣列和第二接合墊陣列在水平的X方向和Y方向上錯位，并且所述第一組件和第二組件在垂直的Z方向上對準(zhǔn)； 執(zhí)行回流焊工藝以使得所述第一接合墊上的焊料接觸所述第二芯片的第二接合墊中的對應(yīng)接合墊，并且使得所述第二芯片在X方向和Y方向上移動的同時沿著所述垂直支撐結(jié)構(gòu)的頂表面滑動，從而使所述第二芯片的第二電路組件與所述第一芯片的第一電路組件在X、Y和Z方向上對準(zhǔn)， 其中，在X方向上的對準(zhǔn)是通過所述對準(zhǔn)止擋與至少一個所述垂直支撐結(jié)構(gòu)之間的接觸獲得的，并且其中在Y方向上的對準(zhǔn)是通過所述第一芯片的側(cè)壁表面與所述第二芯片的側(cè)表面之間的接觸獲得的。2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一芯片包括光子芯片，而所述第二芯片包括半導(dǎo)體激光芯片。3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一電路組件包括具有暴露在所述第一芯片的側(cè)壁表面上的輸入的多個半導(dǎo)體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，并且其中所述第二電路組件包括具有暴露在所述第二芯片的側(cè)表面上的輸出的半導(dǎo)體波導(dǎo)。4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，在所述初始位置中，在所述焊料和所述第二芯片的第二接合墊之間存在間隙，其中，所述間隙的尺寸G的范圍為:0.15 XHl <G<0.25 XHl，其中，H1是所述垂直支撐結(jié)構(gòu)的高度。5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述回流焊工藝是使用氣相助焊劑執(zhí)行的。6.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，在所述第一電路組件和第二電路組件在所述X、Y和Z方向上對準(zhǔn)時，所述第一接合墊和所述第二接合墊中對應(yīng)接合墊之間在所述X方向和所述Y方向中的至少一個方向上留有錯位。7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，與所述對準(zhǔn)止擋接觸的所述至少一個垂直支撐結(jié)構(gòu)的截面積大于不與所述對準(zhǔn)止擋接觸的其他垂直支撐結(jié)構(gòu)的截面積。8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一電路組件設(shè)置在形成于所述第一芯片的側(cè)壁表面上的伸出部分中。9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，在所述初始位置中，所述第一接合墊陣列和第二接合墊陣列在水平的X方向和Y方向上的錯位量大于約ΙΟμπι。10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，在回流焊工藝過程中，所述第一電路組件和第二電路組件之間在Z方向上的對準(zhǔn)是通過保持所述第二芯片的表面與所述垂直支撐結(jié)構(gòu)的頂表面相接觸而維持的。11.一種使用以下方法制造的半導(dǎo)體裝置: 提供第一芯片，所述第一芯片包括由凹陷表面和側(cè)壁表面限定的腔區(qū)域，其中所述第一芯片包括形成在所述第一芯片的凹陷表面上的第一接合墊陣列，其中焊料設(shè)置在所述第一接合墊上，其中所述第一芯片包括設(shè)置在所述第一芯片的凹陷表面上的多個垂直支撐結(jié)構(gòu)，并且其中所述第一芯片包括設(shè)置在所述側(cè)壁表面上的第一電路組件； 提供第二芯片，其中所述第二芯片包括形成在所述第二芯片的表面上的第二接合墊陣列和對準(zhǔn)止擋，其中所述第二接合墊陣列對應(yīng)于所述第一接合墊陣列，并且其中所述第二芯片包括設(shè)置在所述第二芯片的側(cè)表面上的第二電路組件； 將所述第二芯片放置到所述第一芯片的所述腔中的初始位置且使所述第二接合墊陣列面對所述第一接合墊陣列、使所述第二芯片支撐在所述多個垂直支撐結(jié)構(gòu)的頂部上，其中在所述初始位置中，所述第一接合墊陣列和第二接合墊陣列在水平的X方向和Y方向上錯位，并且所述第一組件和第二組件在垂直的Z方向上對準(zhǔn)； 執(zhí)行回流焊工藝以使得所述第一接合墊上的焊料接觸所述第二芯片的第二接合墊中的對應(yīng)接合墊，并且使得所述第二芯片在X方向和Y方向上移動的同時沿著所述垂直支撐結(jié)構(gòu)的頂表面滑動，從而使所述第二芯片的第二電路組件與所述第一芯片的第一電路組件在X、Y和Z方向上對準(zhǔn)， 其中，在X方向上的對準(zhǔn)是通過所述對準(zhǔn)止擋與至少一個所述垂直支撐結(jié)構(gòu)之間的接觸獲得的，并且其中在Y方向上的對準(zhǔn)是通過所述第一芯片的側(cè)壁表面與所述第二芯片的側(cè)表面之間的接觸獲得的。12.如權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體裝置，其中，所述第一芯片包括光子芯片，而所述第二芯片包括半導(dǎo)體激光芯片。13.如權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體裝置，其中，所述第一電路組件包括具有暴露在所述第一芯片的側(cè)壁表面上的輸入的多個半導(dǎo)體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，并且其中，所述第二電路組件包括具有暴露在所述第二芯片的側(cè)表面上的輸出的半導(dǎo)體波導(dǎo)。14.如權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體裝置，其中，在所述初始位置中，在所述焊料和所述第二芯片的第二接合墊之間存在間隙，其中，所述間隙的尺寸G的范圍為:0.15 X Hl <G<0.25X Hl，其中，Hl是所述垂直支撐結(jié)構(gòu)的高度。15.如權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體裝置，其中，所述回流焊工藝是使用氣相助焊劑執(zhí)行的。16.如權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體裝置，其中，在所述第一電路組件和第二電路組件在所述X、Y和Z方向上對準(zhǔn)時，第一接合墊和第二接合墊中對應(yīng)接合墊之間在所述X方向和Y方向中的至少一個方向上保持錯位。17.如權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體裝置，其中，與所述對準(zhǔn)止擋接觸的所述至少一個垂直支撐結(jié)構(gòu)的截面積大于不與所述對準(zhǔn)止擋接觸的其他垂直支撐結(jié)構(gòu)的截面積。18.如權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體裝置，其中，所述第一電路組件設(shè)置在形成于所述第一芯片的側(cè)壁表面上的伸出部分中。19.如權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體裝置，其中，在所述初始位置中，所述第一接合墊陣列和第二接合墊陣列在所述水平的X方向和Y方向上的錯位量大于約ΙΟμπι。20.如權(quán)利要求11所述的半導(dǎo)體裝置，其中，在回流焊工藝過程中，所述第一電路組件和第二電路組件之間在所述Z方向上的對準(zhǔn)是通過保持所述第二芯片的表面與所述垂直支撐結(jié)構(gòu)的頂表面相接觸而維持的。
【文檔編號】H01L21/60GK105931973SQ201610104175
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年2月25日
【發(fā)明人】T.巴維茨, Y.C.馬丁, 羅載雄
【申請人】國際商業(yè)機(jī)器公司