專利名稱：芯片轉移方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種把集成電路元件從源襯底轉移到目標襯底上的預定位置的方法及其裝置。更具體地說，本發(fā)明涉及一種把VCSEL芯片或其它光學或非光學元件轉移到硅襯底基芯片的落點區(qū)域上的方法。
背景技術：
目前，芯片至芯片傳輸正經(jīng)歷重要發(fā)展階段。TTL-級(TTL-level)傳輸不再能處理需要在芯片之間傳輸?shù)木薮髷?shù)據(jù)量。正在發(fā)展平行高速連接的幾種方法。利用這樣的技術，用有限數(shù)量的IC管腳能處理顯著更高的數(shù)據(jù)速率，這是機械可行的。然而，可以預見由于超過1500管腳的封裝的成本問題，存在大約1TB/s的硬件限制。此外，信號丟失、離散和可容許的芯片功率將互連的位速率限制在大約每管腳每秒10GB。解決方法是使用光學通道，不僅用于長距離的傳輸而且用于短距離芯片至芯片的傳輸。然而光學互連需要光源。這些運用具體可取的是垂直諧振腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)。目的是用光學互連代替大的硅CMOS芯片的電氣IOs。可惜地是，由于硅的間接能帶隙，對于激光器或LEDs，硅是不可用的材料。結果，不得不使用脫離芯片(off-chip)激光器，這引起嚴重裝配問題。用于連接CMOS芯片與外部激光器芯片的短電氣互連還是必要的。這種互連可以是短的，但是由于寄生電容還是存在問題。此外，成百個激光器的安裝是非常昂貴的。由于CMOS芯片的每個管腳需要極接近的激光器，因此大的單芯片激光器陣列是不可行的。
幾個研究組試圖通過在Si上生長例如GaAs的薄層來解決問題。這樣能夠實現(xiàn)在硅芯片上的激光器的單片集成?？上У厥?，由于晶格常數(shù)的很大差異，Si上生長GaAs是非常困難的。
其它研究組開發(fā)了轉移薄GaAs層到硅上的技術。這個想法是轉移含有激光器或其它光學元件的III/V半導體材料的薄(小于一個微米至幾微米)層。激光器的特性將不會因轉移而改變。因為層很薄，用標準金屬化技術例如CMOS芯片的最終金屬化水平就能完成CMOS電路和激光器之間的互連。結果產(chǎn)生CMOS電路和例如激光器的單片集成。該技術目前的局限性在于其是相當?shù)厥止すに?。目前每次手工地轉移一個激光器，使其在任何商業(yè)效率的制造工藝中是不可用的。
在Nr.11800，1996年的由T.E.Morf、Diss.ETH發(fā)表的“Epitaxial Lift-offApplications in Microwave Circuits and Optoelectronics”中，給出了外延剝離(epitaxial lift-off)工藝的觀點，該工藝能用于使器件同它們的襯底分離并且使這些器件能夠轉移到目標襯底上?？墒褂谜婵諍A子來拾取器件。
在由I.Pollentier、P.Demeester、P.Van Daele、D.Rondi、G.Glastre、A.Enard和R.Blondeau等人發(fā)表的“Fabrication of long wavelength OEICs using GaAson InP epitaxial lift-off technology”(關于InP和相關材料的第三次國際會議學報，美國紐約，1991年，第268-71頁)中，描述了在使用水滴的情況下轉移器件的對準原理。

發(fā)明內容
這里描述的本發(fā)明是一種裝配工藝，能用來晶片級地轉移垂直諧振腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)和光二極管。成百或甚至上千的激光器和光二極管能同時地轉移到CMOS晶片上。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種用于把集成電路元件從源襯底轉移到目標襯底上的預定位置的方法。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種用于把集成電路元件從源襯底轉移到目標襯底上的預定位置的裝置。
根據(jù)本發(fā)明的第三方面，該方法和裝置允許同時地轉移大量的集成電路元件。
根據(jù)本發(fā)明的第四方面，該方法和裝置允許集成電路元件可選擇地轉移到一個或更多目標襯底上。
根據(jù)本發(fā)明的第五方面，集成電路元件在目標襯底上經(jīng)歷自動對準。
本發(fā)明針對一種把集成電路元件從源襯底上轉移到目標襯底上的預定位置的方法。在第一步驟中，把具有由可控制粘附性的粘附性材料構成的粘附層的元件轉移夾具降低到位于源襯底上的集成電路元件上。該粘附性具有宜于把集成電路元件固定到元件轉移夾具上的第一值。在第二步驟中，將具有粘附到其上的集成電路元件的元件轉移夾具移向具有排列在預定位置處的微滴(droplet)的目標襯底。在第三步驟中，把具有粘附到其上的集成電路元件的元件轉移夾具降低到目標襯底上，以便使集成電路元件與微滴接觸。在第四步驟中，設定粘附層的粘附性為宜于將集成電路元件從元件轉移夾具釋放的第二值，從而微滴使集成電路元件對準到預定位置。最后，移開元件轉移夾具。
這里描述的技術可以看作外延剝離(ELO)技術的進一步發(fā)展。ELO的基本思想是釋放III/V材料的薄膜片并且轉移該薄膜片到新的宿主材料上。通過范德華力使薄膜附著到新的宿主材料上。關鍵的步驟是將薄膜從它的生長襯底上脫離以及轉移和對準它。根據(jù)現(xiàn)有技術的狀態(tài)用手工的拾取和放置工藝完成后者，在單一薄膜片上的操作使其在任何商業(yè)制造工藝中是不可用的。本發(fā)明提出用自動晶片-級工藝使得消除這種手工工藝。
當通過對準元件使元件轉移夾具與源襯底對準時是有利的，因為因此集成電路元件相對于元件轉移夾具的對準是可實現(xiàn)的，使得接下來在集成電路元件區(qū)域中的粘附性得以精確控制。
在第二步驟之前，通過除去源襯底或集成電路元件下方的犧牲層，可使集成電路元件脫離源襯底。這樣的優(yōu)點是，于是集成電路元件被隔離并能作為單個元件轉移到目標襯底。因此幾個集成電路元件能制作在同一襯底上并且彼此之間隔離地將被選擇性地轉移。為了彼此之間隔開幾個這樣的集成電路元件，可例如用蝕刻法在集成電路元件之間形成溝槽。
一種簡單、便宜并快速的提供粘附層的方法是使元件轉移夾具與裝有粘附性材料的容器表面接觸以及從容器移開元件轉移夾具。粘附層也能是壓印、噴涂或通過滾軸、刮片或刷子施加到元件轉移夾具上。壓印或使其與容器接觸具有使粘附層的厚度非常均勻的優(yōu)勢，這樣有利于更精確地控制粘附性。
如果元件轉移夾具提供用于集成電路元件并具有集成電路元件的大致橫向尺寸的固定區(qū)域的構造，那么存在用于集成電路元件的預定區(qū)域。這樣使集成電路元件更好地對準到元件轉移夾具上，例如，通過使用固定區(qū)域的結構邊緣。同樣地，大致僅在集成電路元件的固定區(qū)域，用于集成電路元件的粘附層的粘附性可被控制。這樣使得選擇性地粘附和/或釋放元件轉移夾具上的集成電路元件。甚至不同的集成電路元件可以粘附到同一個元件轉移夾具上。
通過使用液滴可提供一種簡單并仍然是選擇性對準。這里的微滴可以理解為有限數(shù)量的液體。因此該微滴也能是薄的液態(tài)膜。通過施加液體到包括處于預定位置處的親水性的可濕性-結構層的目標襯底上，液滴能有利地排列在預定位置。從而簡單地施加液體到整個目標襯底將當然僅在由可濕性-結構預定的那些位置處留下液滴。可用光刻工藝或壓印步驟施加可濕性-結構。不需要實行液滴的主動對準，并降低微滴例如由于像重力或氣流的外界環(huán)境影響而離開其位置的風險?？蓾裥?結構也影響含在微滴中的液體數(shù)量的自動限制。那么液滴的表面張力適于影響集成電路元件的對準。
用熱可控的粘附層使得能夠利用加熱器來控制粘附性。這樣提供了一種便宜和容易可行的控制方法。通過電流感應加熱，例如，通過提供設定在電流下被加熱的線圈或彎曲金屬絲結構，把加熱器結合到元件轉移夾具中是可行的。即使局部加熱也是可很好控制的，從而用于元件轉移夾具的材料的優(yōu)點是，其提供一種熱導性，基本不會使存在于一個集成電路元件位置處的熱來控制在另一集成電路元件位置處的粘附性。從而可實現(xiàn)選擇性粘附性控制。


本發(fā)明的例子描繪在附圖中并且下面通過例子詳細地描述。在附圖中圖1示出了在源襯底上的集成電路元件上方的元件轉移夾具；圖2示出了具有浸濕的落點區(qū)域的目標襯底上方的粘附有集成電路元件的元件轉移夾具；圖3示出了元件轉移夾具已經(jīng)移去后的具有放置的兩個集成電路元件的目標襯底。
所有的附圖為了清楚而不顯示其真實的尺寸，也不顯示現(xiàn)實比例的尺寸之間的關系。
具體實施例方式
接下來，描述本發(fā)明的各種示范性的實施例。
如圖2所示，用任何現(xiàn)有的CMOS工藝加工含有數(shù)個芯片的CMOS晶片2。其中，在最后的金屬化步驟之后停止該工藝。芯片具有用于集成電路元件3(這里是VCSELs3)的落點區(qū)域12。此時落點區(qū)域12是所需的光學輸入的信號襯墊。然后，除落點區(qū)域1 2以外，整個CMOS晶片2被制成憎水性的。因此，它覆蓋有可濕性-結構層15，其被構造成使落點區(qū)域12是親水性的而可濕性-結構層15的其余部分是憎水性的。該CMOS晶片2也稱作代表集成電路元件3的VCSELs3的目標襯底2。落點區(qū)域12是用于這些集成電路元件3的預定位置12。CMOS晶片2固定在目標襯底底座5上。
如圖1中所描繪的，VCSELs3制造在具有VCSELs3下方的蝕刻終止層10的VCSEL晶片1上?？梢允褂萌魏螛藴蔞CSEL工藝來制造VCSELs3。尺寸例如為50μm×50μm的數(shù)百萬VCSELs3可以加工在標準4英寸GaAs晶片上，結果產(chǎn)生低成本的器件。下文中VCSEL晶片1也稱作源襯底1，其被固定在源襯底底座6上。
接著，從VCSEL晶片1的頂部表面上，在所有的VCSELs3之間蝕刻溝槽。溝槽達到蝕刻終止層10，從而VCSELs3彼此之間被分隔開。這可以用常規(guī)的干蝕刻技術完成。同時可將對準元件13制作在VCSEL晶片1上。在圖1的下半部分描繪了所產(chǎn)生的結構。
圖1中還示出了元件轉移夾具4。硅晶片形式的元件轉移夾具4用于接下來的轉移工藝中，即，把集成電路元件3從源襯底1轉移到目標襯底2。該元件轉移夾具4可以具有與VCSEL晶片1一樣的尺寸。在該元件轉移夾具4中產(chǎn)生溝槽以在下表面上形成柵格圖案，從而柵格可以比VCSELs3稍大，例如，70μm×70μm。用電流可單獨地加熱這些柵格。因此，加熱器7的陣列設置在元件轉移夾具4上。元件轉移夾具4還包括與對準元件13相對應的對向對準元件14。通過夾具移動器16，元件轉移夾具4的位置是可控制的，該夾具移動器16提供3維可移動性。如圖1所示，元件轉移夾具4設置為柵格-結構表面朝下。
為了能用元件轉移夾具4把VCSELs3從VCSEL晶片1(源襯底1)轉移到目標襯底2上，元件轉移夾具4提供有粘附層8，該粘附層8是包括粘附性材料的層。該粘附層8具有可隨外部影響而變化的可控制的粘附性的特性。此時通過熱影響粘附性是可控制的，加熱器7作為粘附性控制器7。
作為粘附性材料，少量的臘用壓印方法施加到柵格上，也就是，使VCSEL晶片1與蠟供給器接觸，從而臘附著到突出的柵格區(qū)域，簡稱作柵格，用來作為VCSELs3的固定區(qū)域11。因此，元件轉移夾具4包括作為粘附層8的圖案化臘層8，從而每一柵格的臘層8的粘附性是獨立可控的。
這些加熱器7可埋入元件轉移夾具4中并因此位置靠近柵格圖案化表面，但也可實現(xiàn)為元件轉移夾具4的上表面上的結構的形式。同樣，加熱器7被設置在元件轉移夾具4的下表面上，直接地位于元件轉移夾具4和粘附層8之間是可行的，以提供粘附性的最佳可控性。
接著，元件轉移夾具4放置到VCSEL晶片1上。從而使臘接觸VCSELs3。通過對準結構13，10μm內的對準是可行的。在下面的蝕刻步驟中，元件轉移夾具4將密封住VCSELs3的頂部部分。然后從背面蝕刻VCSEL晶片1，直到達到蝕刻終止層10。為了加速該工藝，VCSEL晶片1可例如通過研磨被機械化減薄到第一厚度，從而可得到25μm的厚度，并且此后被蝕刻掉。由于蝕刻是較慢的工藝，因此機械化減薄較快速地去除襯底。接著，在也可與第一蝕刻步驟合并的第二蝕刻步驟中蝕刻掉蝕刻終止層10。在該步驟之后，所有的VCSELs3均僅僅通過臘層8與元件轉移夾具4連接。圖2中描繪了具有粘附在臘覆蓋柵格11的單個VCSELs3的元件轉移夾具4。襯底去除的一種選擇方法可以是剝離(lift-off)工藝，其中除去蝕刻終止層10而不是VCSEL晶片1的整個襯底。蝕刻劑可從側面到達蝕刻終止層10。為了加速該工藝，使該蝕刻劑也在其它位置到達蝕刻終止層10是有利的。在VCSELs3之間存在空間，此處該蝕刻劑可以流過，但也可以在元件轉移夾具4或VCSEL晶片1中提供通道，使蝕刻劑流向蝕刻終止層10。一旦除去蝕刻終止層10，從VCSEL晶片1分離VCSELs3是可能的。
CMOS晶片2，即目標襯底2，浸蘸在去離子水中。由于除了用于VCSELs3的落點區(qū)域12以外的目標襯底2的任何地方都是憎水性的，從而僅在落點區(qū)域12形成水滴9。CMOS晶片2的其余部分保持干燥。然后，在目標襯底2上的水滴9被用于目標襯底2的落點區(qū)域12上的VCSELs3的自動對準。
如圖2中所描繪的，然后使掛在元件轉移夾具4上的VCSELs3接觸CMOS晶片2上的水滴9。通過選擇性加熱并從而熔化臘層8，將被選擇的VCSELs3釋放。固定這些VCSELs3的臘變成液態(tài)并且臘層8的粘附力下降，使得VCSELs3將不再附著在元件轉移夾具4上并且進入水滴9的作用范圍內。VCSELs3將在幾微米的范圍內自對準到CMOS晶片2上的預定落點區(qū)域12上。如果VCSELs3在它們的上側面具有尖銳的邊緣，那么對能基本防止臘滴落并負面影響轉移工藝的可靠性并得到最終排列的后功能是有利的。由于VCSELs3仍然具有典型地7μm的厚度，該尺寸提供可能臘流動的安全性裕度。然后可移開元件轉移夾具4，留下前述步驟中釋放的那些VCSELs3。產(chǎn)生的結果如圖3所示。
因此，臘基本保留在元件轉移夾具4以及還沒有脫離的那些VCSELs3也保留在元件轉移夾具4上。目標襯底2上的水將通過加熱加速蒸發(fā)。一旦水消失后，VCSELs3壓在落點區(qū)域12上。清洗步驟中使用溶劑等可除去留在VCSELs3上的可能存在的臘。然后典型地范德華力使VCSELs3保持在位置處，特別是，當VCSEL另外很快重新壓在落點區(qū)域12上時。同樣，也可以使用膠或者用金屬把VCSELs3焊接到落點區(qū)域12上。這在使用包括將要壓在目標襯底2上的位于其底面的接觸襯墊的VCSELs3的情況下是有利的。然后，用于VCEL接觸的布線可以預先制作在目標襯底2上并且在其落點區(qū)域12上放置VCSELs3后，通過加熱接觸區(qū)域可將VCEL觸點連接到布線上。
用這種方法可以同時轉移成百到上千的VCSELs3。VCSEL晶片1和元件轉移夾具4最大可能性是小于CMOS晶片2。為了放置VCSELs3在CMOS晶片2上的任意位置處，元件轉移夾具4可以在CMOS晶片2的上方移動并且VCSELs3將在預期的位置處被釋放。
如果VCSELs3在它們的上側具有一個或更多的電觸點，那么至該側面的布線是必要的。在VCSELs3放置在目標襯底2上之后可以進行構圖金屬化步驟，但如果VCSELs3的垂直尺寸太高，那么金屬化可能失敗。因此可在VCSELs3處設置支持材料，使從目標襯底2到VCSELs3的上側的過渡平坦。因此可以用圖案化聚酰亞胺層。
作為粘附層8，粘附性為熱可控性或其它可控性的其它材料也是適合的。靜電場也可以用作粘附力。其它液體也能替代水用于對準。
元件轉移夾具4設計成能重復使用的。
任何公開的實施例可以部分地也可以全部地結合所示的和/或所描述的其它實施例中的一個或幾個。這也可能是對實施例的一個或多個特征。顯然在不脫離由權利要求包含的本發(fā)明的構思下，本領域的技術人員可使用多種方法修改所示的配置。
權利要求
1.一種用于把集成電路元件(3)從源襯底(1)轉移到目標襯底(2)的預定位置(12)的方法，包括a)在第一步驟中，把具有由可控制粘附性的粘附性材料構成的粘附層(8)的元件轉移夾具(4)降低到位于源襯底(1)上的集成電路元件(3)上，從而該粘附性具有宜于把集成電路元件(3)固定到元件轉移夾具(4)上的第一值，b)在第二步驟中，將具有粘附到其上的集成電路元件(3)的元件轉移夾具(4)移向具有排列在預定位置(12)處的微滴(9)的目標襯底(2)，c)在第三步驟中，把具有粘附到其上的集成電路元件(3)的元件轉移夾具(4)降低到目標襯底(2)上，使得集成電路元件(3)與微滴(9)接觸，d)在第四步驟中，設定粘附層(8)的粘附性為宜于將集成電路元件(3)從元件轉移夾具(4)釋放的第二值，從而微滴(9)使集成電路元件(3)對準到預定位置(12)，e)在第五步驟中，移開元件轉移夾具(4)。
2.根據(jù)權利要求1的方法，其中在第一步驟中，通過對準元件(13)使元件轉移夾具(4)與源襯底(1)對準。
3.根據(jù)權利要求1或2的方法，其中在第二步驟前，通過除去源襯底(1)或集成電路元件(3)下方的犧牲層，將集成電路元件(3)從源襯底(1)釋放。
4.根據(jù)權利要求1至3之一的方法，其中通過使元件轉移夾具(4)接觸裝有粘附性材料的容器的表面以及從容器移開元件轉移夾具(4)，在元件轉移夾具(4)上形成粘附層(8)。
5.根據(jù)權利要求1至4之一的方法，其中元件轉移夾具(4)提供用于集成電路元件(3)并具有集成電路元件(3)的大致橫向尺寸的固定區(qū)域(11)的結構。
6.根據(jù)權利要求5的方法，其中用于集成電路元件(3)的粘附層(8)的粘附性大致僅在它的固定區(qū)域(11)中被控制。
7.根據(jù)權利要求1至6之一的方法，其中通過施加液體到包括位于預定位置(12)的親水性的可濕性-結構層(15)的目標襯底(2)，使該液體的微滴(9)排列在預定位置(12)處。
8.根據(jù)權利要求1至7之一的方法，其中該粘附性材料包括諸如臘的熱可控性材料。
9.一種用于把集成電路元件(3)轉移到目標襯底(2)上的預定位置(12)的裝置，該裝置包括a)具有由可控制粘附性的粘附性材料構成的粘附層(8)的元件轉移夾具(4)，用于把集成電路元件(3)固定到其上，b)用于控制粘附層(8)的粘附性的粘附性控制器(7)。
10.根據(jù)權利要求9的裝置，還包括夾具移動器(16)，用于把元件轉移夾具(4)降低到源襯底(1)上的集成電路元件(3)上，而且用于將具有粘附到其粘附層(8)上的集成電路元件(3)的元件轉移夾具(4)移向目標襯底(2)，以及用于從集成電路元件(3)移開元件轉移夾具(4)。
11.根據(jù)權利要求9或10的裝置，還包括目標襯底底座(5)和/或源襯底底座(6)。
12.根據(jù)權利要求9至11之一的裝置，還包括與源襯底(1)上的對準元件(13)相對應的對向對準元件(14)。
13.根據(jù)權利要求9至12之一的裝置，其中粘附性控制器(7)設計成控制基本僅在具有集成電路元件(3)的大致橫向尺寸的固定區(qū)域(11)中的粘附層(8)的粘附性。
全文摘要
本發(fā)明針對一種用于把集成電路元件(3)從源襯底(1)轉移到目標襯底(2)上的預定位置(12)的方法。提供其上具有集成電路元件(3)的源襯底(1)和具有可控制粘附性的粘附性材料的層(8)的元件轉移夾具(4)。元件轉移夾具(4)降低到集成電路元件(3)上，從而使粘附性具有宜于把集成電路元件(3)固定到元件轉移夾具(4)上的第一值。然后，集成電路元件(3)從源襯底(1)釋放并且具有粘附到其上的集成電路元件(3)的元件轉移夾具(4)從源襯底(1)移開。目標襯底(2)設置有排列在預定位置(12)處的微滴(9)，并且具有粘附到其上的集成電路元件(3)的元件轉移夾具(4)降低到目標襯底(2)上，使得集成電路元件(3)與微滴(9)接觸。然后，將粘附性材料的粘附性設定為宜于將集成電路元件(3)從元件轉移夾具(4)釋放的第二值，因此微滴(9)使集成電路元件(3)對準到預定位置(12)。最后，從集成電路元件(3)移開元件轉移夾具(4)。
文檔編號G09F9/00GK1491436SQ02804695
公開日2004年4月21日 申請日期2002年2月4日 優(yōu)先權日2001年2月8日
發(fā)明者托馬斯·莫夫, 托馬斯 莫夫 申請人:國際商業(yè)機器公司