Штатив для подложки
Владельцы патента RU 2315342:
Институт физики полупроводников Сибирского отделения Российской академии наук (RU)
Изобретение относится к оборудованию для микроэлектронной области техники. Изобретение направлено на повышение процента соединенных контактов до 99,75 за счет значительного повышения точности установки плоскопараллельности двух плоских подложек, имеющих множество контактов в виде выступов, в том числе, с уменьшенной величиной высоты выступов контактов. Указанный технический результат достигается тем, что штатив для подложки состоит из основания штатива, шарового упора, на котором свободно балансирует основание штатива, дополнен выравнивающим элементом, состоящим из двух полированных прозрачных пластин, скользящих друг по другу. Причем несоприкасающиеся плоскости пластин плоскопараллельны, выравнивающий элемент помещен на одну из двух соединяемых подложек, находящуюся на основании штатива. 3 ил.
Изобретение относится к оборудованию для микроэлектронной области техники и может быть использовано при разработке технологического оборудования сборки гибридных полупроводниковых микросхем по «Flip-Chip»-технологии для повышения количества соединенных контактов при понижении их высоты.
Известны устройства, предназначенные для соединения двух и более подложек (плоских кристаллов полупроводниковых микросхем) путем сдавливания встречных электрических контактов, расположенных на этих подложках. ("FC-6 Flip-Chip Bonder", User's Guide, Saint Jeoire, France, February 1995) и ("Установка совмещения и экспонирования ЭМ-5026М", в проспекте "Оборудование для формирования и контроля топологических структур на фотошаблонах и полупроводниковых пластинах в производстве СБИС и других изделий электронной техники». Концерн «Планар», Минск, 2006. Отпечатано ИП «Принтим-Пак». Зак. 8157). Важнейшей операцией, при этом, является предварительное установление плоскопараллельности соединяемых плоских подложек. В большинстве таких устройств для установления плоскопараллельности подложек используются различные оптические устройства (автоколлиматоры, лазерные устройства и т.п.). Работа этих устройств основана на использовании отражения световых лучей от поверхности соединяемых подложек, поверхности частей установки, на которую они помещены, и на дальнейшей юстировке и регулировке плоскопараллельности всех этих поверхностей. При этом конечная точность установки плоскопараллельности имеет определенный предел, зависящий от точности изготовления оптических и механических деталей системы. После установки плоскопараллельности оптическая система отключается и с помощью сложной механической системы осуществляется процесс соединения электрических контактов подложек. Итоговое количество соединенных контактов зависит от точности установки плоскопараллельности и от исходной высоты контактов: при снижении высоты контактов число соединенных пар снижается, что является недопустимым.
Недостатком технического решения, используемого в установках типа «FC-6», является то, что конечный результат соединения зависит от всех этапов работы и от точности изготовления как оптических, так и механических компонент системы. При этом в ряде случаев точности установки не хватает для осуществления операции соединения. Так, в используемой нами установке "FC-6 Flip-Chip» Bonder" (установке «флип-чип») при работе с кристаллами размером около 1×1 см точность установки плоскопараллельности (различие между получаемой величиной зазора между кристаллами в одном и другом концах соединения) составляет более 10 мкм, в то время как требуемая разница должна составлять не более 0,5 мкм.
Другим недостатком оптических систем установки плоскопараллельности является их сложность и, следовательно, дороговизна. Причем улучшение параметров установок с помощью, например, лазерной подстройки еще более усложняет и удорожает систему, но, даже и в этом случае, не всегда позволяет достичь требуемой точности, поскольку соединяемые подложки имеют рельефную поверхность и, поэтому, оптическую схему, основанную на отражении от этой поверхности невозможно реализовать в полной мере.
Известен другой класс устройств, в которых требуется предварительная установка плоскопараллельности двух компонент - это установки фотолитографии ("Техническое описание установки для совмещения и экспонирования", ФЭБ "Электромат", Дрезден, 1966 г.). В этих установках необходима предварительная установка плоскопараллельности поверхности подложки и поверхности фотошаблона. Осуществляется операция с помощью шарового упора. Подложка помещается на плоскую поверхность основания штатива для подложки, которое на шаровом упоре свободно балансирует и в некоторых пределах поворота может принимать любое положение. Штатив для подложки выполнен металлическим. Операция установки плоскопараллельности осуществляется механически, прижиманием плоского прозрачного фотошаблона, закрепленного в держателе, к плоскости подложки, находящейся на плоской поверхности основания штатива, при этом под действием прижимающей силы за счет свободного балансирования на шаровом упоре, подложка вместе с основанием штатива автоматически принимает положение, в котором плоскости подложки и фотошаблона совпадают. Затем это положение фиксируется вакуумом (вакуумной «присоской»). Это устройство взято за прототип.
Данное техническое решение могло бы быть применено и для «флип-чип» процесса, но в этом случае это техническое решение имеет существенный недостаток: в процессе выполнения соединения подложек необходимо установить плоскопараллельность двух подложек и последующее соединение контактов, выполненных на поверхности подложек в виде выступов высотой от 3 до 30 мкм. При прижимании первой подложки, находящейся на основании штатива, который свободно балансирует на шаровом упоре, ко второй, закрепленной в подвижном держателе, происходит не только поворот плоскости первой подложки, но одновременно и скольжение второй подложки по первой - это очевидно из простых геометрических соображений. При этом определенные места на второй подложке должны смещаться относительно определенных мест на первой подложке, но контакты, выполненные в виде выступов, не позволяют подложкам скользить друг по другу в процессе установления плоскопараллельности, поскольку зацепляются друг за друга и в конечном итоге разрушаются. Кроме этого, данное техническое решение, в применение к «флип-чип» технологии, имеет и второй недостаток: поскольку конечным результатом операции «флип-чип» является соединение множества контактов одной подложки с соответствующими контактами другой подложки, соединение становится невозможным из-за смещения контактов относительно друг друга в процессе установления плоскопараллельности, в то время как их взаимное положение должно быть строго определено.
Техническим результатом изобретения является повышение процента соединенных контактов до 99.75% за счет значительного повышения точности установки плоскопараллельности двух плоских подложек, имеющих множество контактов в виде выступов, в том числе с уменьшенной величиной высоты выступов контактов.
Технический результат достигается тем, что штатив для подложки, состоящий из основания штатива, шарового упора, на котором свободно балансирует основание штатива, дополнительно содержит выравнивающий элемент, выполненный в виде двух полированных, прозрачных пластин, скользящих друг по другу, а несоприкасающиеся плоскости пластин плоскопараллельны, выравнивающий элемент помещен на одну из двух соединяемых подложек, находящуюся на основании штатива.
На фиг.1 показан штатив для подложки, на фиг.2 (а, б) показано действие выравнивающего элемента в "Flip-Chip"-процессе, где:
1 - основание штатива,
2 - шаровой упор,
3 - выравнивающий элемент, состоящий из двух полированных, прозрачных пластин,
4 - нижняя подложка с контактами, выполненными в виде выступов 5,
6 - верхняя подложка с контактами, выполненными в виде выступов 5,
7 - держатель.
На фиг.3 показаны результаты измерений на собранной гибридной микросхеме без применения предлагаемого устройства для подложки (а) и с применением его (б).
Для реализации данного технического решения предлагается дополнить штатив для подложки выравнивающим элементом, состоящим из двух полированных, прозрачных пластин, скользящих друг по другу. Выравнивающий элемент, состоящий из двух полированных, прозрачных пластин, выполнен таким образом, что их несоприкасающиеся плоскости строго плоскопараллельны. Данный выравнивающий элемент, во время операции установки плоскопараллельности подложек, при осуществлении «флип-чип» процесса, помещают на нижнюю подложку. На фиг.1 показан штатив для подложки, где основание штатива 1 свободно балансирует на шаровом упоре 2, на плоской поверхности которого размещена нижняя подложка 4 с контактами, выполненными в виде выступов 5, на которых расположен выравнивающий элемент 3, состоящий из двух прозрачных полированных пластин, скользящих друг по другу в горизонтальной плоскости, причем несоприкасающиеся плоскости пластин выполнены плоскопараллельными.
На фиг.2 показано действие выравнивающего элемента во «Flip-Chip»-процессе: на первом его этапе через полированные, прозрачные пластины 3 выравнивающего элемента происходит оптическое совмещение контактов 5, подлежащих соединению, находящихся на двух подложках, одна из которых (нижняя) 4 расположена на основании штатива для подложки 1, а вторая подложка (верхняя) 6 закреплена на подвижном держателе 7. После оптического совмещения контактов 5, подвижный держатель 7 опускается вместе с верхней подложкой 6 до соприкосновения с выравнивающим элементом (фиг.2 - а). Поскольку выравнивающий элемент 3 и нижняя подложка 4 находятся на основании штатива 1, свободно балансирующем на шаровом упоре 2, то при дальнейшем опускании держателя 7 с закрепленной на нем верхней подложкой 6 происходит выравнивание плоскостей подложек (фиг.2 - б). В процессе выравнивания прозрачные пластины 3 скользят друг по другу и не происходит зацепления контактов в виде выступов 5 при горизонтальном смещении нижней подложки 4 относительно контактов верхней подложки 6. В процессе выравнивания плоскопараллельности подложек 4 и 6 к держателю 7 прикладывается некоторое усилие, показанное на фиг.2 вертикальной стрелкой, величина усилия зависит от материалов, использованных для изготовления держателя для подложки и точности его выполнения и выбирается такой, чтобы оно было достаточно для преодоления трения в шаровом упоре 2 и трения скольжения пластин выравнивающего элемента 3 друг по другу. После проведения операции выравнивания держатель 7 поднимается вместе с подложкой 6, выравнивающий элемент убирается, проводится корректировка оптического совмещения и затем держатель 7 вторично опускается для осуществления операции соединения контактов 5 подложек 4 и 6, и при этом плоскости обеих подложек строго плоскопараллельны.
Соединение двух полированных, прозрачных пластин 3, скользящих друг по другу, в выравнивающем элементе, может осуществляться различными способами. В нашем примере верхняя пластина выравнивающего элемента 3 свободно расположена на нижней пластине выравнивающего элемента 3. Но возможны варианты, когда верхняя пластина выравнивающего элемента удерживается на центральной части нижней пластины выравнивающего элемента пружинным фиксатором, который не мешают полированным, прозрачным пластинам выравнивающего элемента скользить друг по другу. Установка выравнивающего элемента 3 на контакты в виде выступов 5 нижней подложки 4 также может быть осуществлена различными способами - с помощью какого-либо подающего устройства, рычага и т.п., которые мы не показываем на фиг.2.
Был изготовлен макет предлагаемого устройства и испытана его работа при соединении двух подложек (фотоприемная матрица - считывающее устройство) на установке FC-6. Обе подложки содержали по 10000 контактов, высота которых составляла около 6 мкм. На фиг.3 показаны результаты измерений на собранной гибридной микросхеме без применения предлагаемого устройства для подложки (а) и с применением его (б). Черные участки - это области, где из-за перекоса подложек при сборке контакты не соединились, светлые - области с соединенными контактами. Как видно из результатов, при использовании предлагаемого устройства (б), вследствие выравнивания плоскопараллельности подложек происходит соединение практически всех контактов (99,75%), в то время как без применения предлагаемого устройства (а) количество соединенных контактов составляет всего лишь около 30%.
Штатив для подложки, состоящий из основания штатива, шарового упора, на котором свободно балансирует основание штатива, отличающийся тем, что он дополнительно содержит выравнивающий элемент, выполненный в виде двух полированных, прозрачных пластин, скользящих друг по другу, а несоприкасающиеся плоскости пластин плоскопараллельны, выравнивающий элемент помещен на одну из двух соединяемых подложек, находящуюся на основании штатива.
