本文所公開的主題涉及電氣裝置,以及更具體來說涉及適合于晶圓接合的基于石英的裝置(其包含基于石英的表面聲波(SAW)裝置)的技術(shù)。
背景技術(shù):
SAW裝置可用于多種應(yīng)用中。例如,在電子電路中,SAW裝置可用作濾波器、振蕩器和/或變壓器。另外,SAW裝置可用作用于轉(zhuǎn)矩、溫度、壓力和/或其他參數(shù)的傳感器。諸如引擎、變速器等的某些過程可使用來自SAW裝置傳感器的反饋更準(zhǔn)確地控制。為了將SAW裝置放入這個環(huán)境中,它們需要被封裝。通常,這些封裝是將SAW放入其中并且密封的氣密分立封裝。在將SAW放入這些封裝中時,靈敏度降低,因此預(yù)期使SAW直接安裝到應(yīng)變點(diǎn)。由于這個原因,預(yù)期晶圓級封裝。SAW裝置可包含壓電材料、例如單晶體石英晶圓,其響應(yīng)于機(jī)械應(yīng)力而生成電信號,從而實(shí)現(xiàn)聲波的檢測。這些聲波能夠用來確定例如旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩。但是,當(dāng)制造基于石英的封裝時,單晶體石英的性質(zhì)能夠使接合困難。此外,單晶體石英晶圓很薄,并且因此在施加不均勻熱和/或機(jī)械應(yīng)力時可能易于破裂。預(yù)期克服接合期間的這些難題的過程。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
下面概述在范圍中與最初要求保護(hù)主題相稱的某些實(shí)施例。這些實(shí)施例不意圖限制要求保護(hù)主題的范圍,但是這些實(shí)施例而是僅意圖提供本主題的可能形式的簡短總結(jié)。實(shí)際上,本文所公開的主題可囊括可與下面闡述的實(shí)施例類似或不同的多種形式。
在一個實(shí)施例中,接合石英晶圓封裝包含:第一石英晶圓,其包含至少一個基于石英的裝置;第二石英晶圓,其設(shè)置在第一石英晶圓之上;以及液晶聚合物(LCP)接合層,其設(shè)置在第一與第二石英晶圓之間,其將第一和第二石英晶圓接合在一起。
在一個實(shí)施例中,一種方法包含通過下列步驟來布置材料疊層:將第一石英晶圓設(shè)置在第一硅(Si)操控晶圓之上;將第二石英晶圓設(shè)置在第一石英晶圓之上;將液晶聚合物(LCP)片材設(shè)置在第一與第二石英晶圓之間;將第二Si操控晶圓設(shè)置在第二石英晶圓之上;以及接合材料疊層以形成接合石英晶圓封裝。第一石英晶圓經(jīng)由LCP片材來接合到第二石英晶圓。
在一個實(shí)施例中,一種用于接合石英晶圓封裝的方法包含使用設(shè)置在第一與第二石英晶圓之間的接合層將第一石英晶圓接合到第二石英晶圓,以形成石英晶圓封裝。接合層包含液晶聚合物(LCP)材料。
在一個實(shí)施例中,一種表面聲波(SAW)傳感器包含:第一石英晶圓,其包含至少一個基于石英的SAW裝置;第二石英晶圓,其設(shè)置在第一石英晶圓之上;以及液晶聚合物(LCP)接合層,其設(shè)置在第一與第二石英晶圓之間,其將第一和第二石英晶圓接合在一起。
本發(fā)明提供一組技術(shù)方案如下:
1. 一種接合石英晶圓封裝,包括:
第一石英晶圓,包括至少一個基于石英的裝置;
第二石英晶圓,設(shè)置在所述第一石英晶圓之上;以及
液晶聚合物(LCP)接合層,設(shè)置在所述第一與第二石英晶圓之間,其將所述第一和第二石英晶圓接合在一起。
2. 如技術(shù)方案1所述的接合石英晶圓封裝,其中,分離所述接合石英晶圓封裝,以形成切塊接合石英晶圓封裝。
3. 如技術(shù)方案1所述的接合石英晶圓封裝,其中,所述至少一個基于石英的裝置包括表面聲波(SAW)裝置。
4. 如技術(shù)方案3所述的接合石英晶圓封裝,其中,所述SAW裝置包括轉(zhuǎn)矩傳感器。
5. 如技術(shù)方案1所述的接合石英封裝,包括設(shè)置在所述第一石英晶圓之下的第一硅(Si)操控晶圓以及設(shè)置在所述第二石英晶圓之上的第二Si操控晶圓。
6. 如技術(shù)方案2所述的接合石英晶圓封裝,包括設(shè)置在所述切塊接合石英晶圓封裝的所述第一石英晶圓與襯底之間的管芯附連粘合劑。
7. 如技術(shù)方案6所述的接合石英晶圓封裝,其中,所述管芯附連粘合劑的粘彈性性質(zhì)通過所述LCP接合層的所述粘彈性性質(zhì)來相反地匹配。
8. 如技術(shù)方案1所述的接合石英晶圓封裝,其中,沒有隔離片設(shè)置在所述第一與第二石英晶圓之間。
9. 如技術(shù)方案1所述的接合石英晶圓封裝,其中,所述LCP接合層的厚度限定所述第一與第二石英晶圓之間的間隙。
10. 如技術(shù)方案1所述的接合石英晶圓封裝,其中,所述第一和第二石英晶圓具有50微米(μm)至1000 μm的范圍中的厚度,以及所述LCP接合層具有10 μm至200 μm的范圍中的厚度。
11. 一種方法,包括:
通過下列步驟來布置材料疊層:
將第一石英晶圓設(shè)置在第一硅(Si)操控晶圓之上;
將第二石英晶圓設(shè)置在所述第一石英晶圓之上;
將液晶聚合物(LCP)片材設(shè)置在所述第一與第二石英晶圓之間;
將第二Si操控晶圓設(shè)置在所述第二石英晶圓之上;以及
接合所述材料疊層以形成接合石英晶圓封裝,其中所述第一石英晶圓經(jīng)由所述LCP片材來接合到所述第二石英晶圓。
12. 如技術(shù)方案11所述的方法,其中,所述第一石英晶圓包括至少一個表面聲波(SAW)裝置。
13. 如技術(shù)方案11所述的方法,其中,通過在所述LCP片材中切割開口以安裝在所述第一石英晶圓的一個或多個裝置周圍并且然后對所述LCP片材進(jìn)行真空烘焙,來制備所述LCP片材用于接合。
14. 如技術(shù)方案11所述的方法,包括在接合之前使用烙鐵在所述第一石英晶圓的周邊周圍將所述LCP片材固定到所述第一石英晶圓。
15. 如技術(shù)方案11所述的方法,包括在接合之后分離所述接合石英晶圓封裝,以形成切塊接合石英晶圓封裝。
16. 如技術(shù)方案15所述的方法,包括在接合之后通過下列步驟來分離所述接合石英晶圓封裝:
以第一角執(zhí)行斜坡切割,以展現(xiàn)裝置管芯的絲焊盤;
對所述裝置管芯的四條邊以所述第一角執(zhí)行斜坡切割;以及
經(jīng)過所述裝置管芯的所述四條邊來執(zhí)行直切。
17. 如技術(shù)方案15所述的方法,包括在所述切塊接合石英晶圓封裝之上應(yīng)用屏蔽涂層。
18. 如技術(shù)方案17所述的方法,其中,所述屏蔽涂層包含氮化硅或氧化鋁。
19. 如技術(shù)方案15所述的方法,包括將管芯附連粘合劑設(shè)置在所述切塊接合石英晶圓封裝的所述第一石英晶圓與第一襯底之間。
20. 如技術(shù)方案11所述的方法,包括在接合之后去除所述第一和第二Si操控晶圓。
21. 如技術(shù)方案11所述的方法,包括在接合之后薄化所述接合石英晶圓封裝。
22. 一種用于接合石英晶圓封裝的方法,包括:
使用設(shè)置在第一與第二石英晶圓之間的接合層將所述第一石英晶圓接合到所述第二石英晶圓以形成所述石英晶圓封裝,其中所述接合層包括液晶聚合物(LCP)材料。
23. 如技術(shù)方案22所述的方法,其中,接合包括:
清洗包含所述石英晶圓封裝的晶圓接合器工具的室;
在所述室內(nèi)部在預(yù)期時間段內(nèi)斜升到第一溫度;
使用所述晶圓接合器工具的頂板向所述石英晶圓封裝施加第一力;
在所述第一溫度和所述第一力停留預(yù)期時間段;
在所述室內(nèi)部在預(yù)期時間段內(nèi)冷卻到第二溫度;
從所述石英晶圓封裝去除所述第一力;以及
在所述室內(nèi)部在預(yù)期時間段內(nèi)冷卻到第三溫度。
24. 如技術(shù)方案22所述的方法,其中,所述第一溫度為大約300℃。
25. 如技術(shù)方案22所述的方法,其中,所述頂板包括陽極銷頂板或平頂板。
26. 一種表面聲波(SAW)傳感器,包括:
第一石英晶圓,包括至少一個基于石英的SAW裝置;
第二石英晶圓,設(shè)置在所述第一石英晶圓之上;以及
液晶聚合物(LCP)接合層,設(shè)置在所述第一與第二石英晶圓之間,其將所述第一和第二石英晶圓接合在一起。
27. 如技術(shù)方案26所述的SAW傳感器,其中,所述SAW傳感器包括轉(zhuǎn)矩傳感器。
28. 如技術(shù)方案26所述的SAW傳感器,包括配置成提供用于電耦合的輸入/輸出連接的絲焊盤。
附圖說明
在參照附圖閱讀下面詳細(xì)描述時,本公開的這些及其他特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將會更好理解,附圖中,相似字符在遍及附圖中表示相似部件,附圖包括:
圖1A是包含硅(Si)操控晶圓的接合石英晶圓封裝的截面圖,以及圖1B是按照本公開的實(shí)施例、在去除了Si操控晶圓之后的圖1A的接合石英晶圓封裝的截面圖;
圖2是按照本公開的實(shí)施例、適合于封裝圖1A和圖1B的接合石英晶圓封裝的一般方法的流程圖;
圖3是按照本公開的實(shí)施例、適合于制備液晶聚合物(LCP)接合層以及第一和第二石英晶圓用于接合的方法的流程圖;
圖4是按照本公開的實(shí)施例、適合于將LCP接合層與第一石英晶圓對齊的方法的流程圖;
圖5是按照本公開的實(shí)施例、適合于將第一石英晶圓與第二石英晶圓對齊的方法的流程圖;
圖6是按照本公開的實(shí)施例、適合于接合以形成圖1A和圖1B的接合石英晶圓封裝的一般方法的流程圖;
圖7A和圖7B是按照本公開的實(shí)施例、適合于使用包含陽極銷頂板的晶圓接合器工具進(jìn)行接合以形成圖1A和圖1B的接合石英晶圓封裝的示例方法的流程圖;
圖8A和圖8B是按照本公開的實(shí)施例、適合于使用包含平頂板的晶圓接合器進(jìn)行接合以形成圖1A和圖1B的接合石英晶圓封裝的示例方法的流程圖;
圖9是按照本公開的實(shí)施例、適合于切割圖1A和圖1B的接合石英晶圓封裝的示例方法的流程圖;
圖10是按照本公開的實(shí)施例、包含許多SAW裝置的圖1A的石英晶圓封裝的自頂向下圖;
圖11是按照本公開的實(shí)施例的切塊接合石英晶圓封裝的透視圖;
圖12是按照本公開的實(shí)施例、作為設(shè)置在軸上的轉(zhuǎn)矩傳感器進(jìn)行操作的石英SAW裝置的簡圖;
圖13是按照本公開的實(shí)施例、壓緊圖12的石英SAW裝置和軸的力的模型;以及
圖14是顯示按照本公開的實(shí)施例、相反地匹配管芯附連粘合劑的粘彈性性質(zhì)的LCP的粘彈性性質(zhì)的圖表。
具體實(shí)施方式
將在下文描述本發(fā)明的一個或多個特定實(shí)施例。致力于提供這些實(shí)施例的簡潔描述,可不在該說明書中描述實(shí)際實(shí)現(xiàn)的所有特征。應(yīng)領(lǐng)會,在任何這種實(shí)際實(shí)現(xiàn)的開發(fā)中,如在任何工程或設(shè)計項目中,必須做出許多實(shí)現(xiàn)特定的決策以達(dá)到開發(fā)者的特定目標(biāo),例如與系統(tǒng)相關(guān)和業(yè)務(wù)相關(guān)的約束一致,該目標(biāo)可從一個實(shí)現(xiàn)變化到另一個。此外,應(yīng)領(lǐng)會,這種開發(fā)努力可能是復(fù)雜并且耗時的,但對于受益于本公開的那些普通技術(shù)人員仍將是設(shè)計、制作和制造的例行任務(wù)。
在引入本公開的各個實(shí)施例的元件時,冠詞“一”、“一個”、“該”和“所述”意圖表示存在元件的一個或多個。術(shù)語“包括”、“包含”和“具有”意圖為包含的,并且表示可存在除了列示元件之外的附加元件。此外,下面論述中的任何數(shù)字示例意圖是非限制性的,并且因而附加數(shù)值、范圍和百分比均在所公開實(shí)施例的范圍之內(nèi)。
單晶體石英在電氣裝置中作為壓電材料運(yùn)行時可提供某些益處(例如機(jī)械應(yīng)力的頻率的準(zhǔn)確測量)。例如,單晶體石英可包含表面聲波(SAW)裝置,其通過將單晶體石英的壓電效應(yīng)引導(dǎo),使用一個或多個叉指結(jié)構(gòu)(interdigitating structure)將聲波轉(zhuǎn)換為電信號。但是,如上所述,單晶體石英的一些性質(zhì)提供接合難題。一種這樣的難題在于,單晶體石英的熱膨脹系數(shù)(CTE)能夠比某些接合材料(例如玻璃粉材料)要低。此外,另一個難題在于,單晶體石英通常是易碎的,并且在施加不均勻應(yīng)力時能夠易于破裂。
相應(yīng)地,本公開的一些實(shí)施例涉及接合單晶體石英晶圓的方法,其克服了難題。例如,可使用具有與單晶體石英的CTE緊密匹配的CTE的接合層。在一些實(shí)施例中,接合層可包含液晶聚合物(LCP)材料,其可提供機(jī)械強(qiáng)度和氣密密封。LCP接合層可插入在兩個單晶體石英晶圓(例如裝置晶圓和蓋子晶圓)之間,以促進(jìn)晶圓到氣密晶圓封裝中的有效接合。此外,如當(dāng)前所公開,使用LCP來接合兩個單晶體石英晶圓實(shí)現(xiàn)晶圓接合,而無需使用隔離片或間隙器(stand-off)來限定晶圓到晶圓間隙。另外,為了克服單晶體石英的脆弱性(delicateness),操控晶圓(例如Si操控晶圓)可放置在單晶體石英晶圓之上和之下,以改進(jìn)操控的簡易性和耐久性。如下面詳細(xì)論述,接合力、溫度和力的時長可在接合過程期間經(jīng)由晶圓接合器工具來控制,以實(shí)現(xiàn)石英晶圓封裝的有效接合??深I(lǐng)會,雖然本公開的其余部分具體集中在基于石英的SAW裝置,但是當(dāng)前所公開的接合技術(shù)可適用于任何基于石英的裝置的接合。
圖1A和圖1B是按照本公開的實(shí)施例的接合石英晶圓封裝10的截面圖。圖1A的接合石英晶圓封裝10包含接合在一起的材料疊層11,如下面詳細(xì)描述。疊層11在接合之前布置,并且包含:第一Si操控晶圓12;第一單晶體石英晶圓或?qū)?4,其設(shè)置在第一Si操控晶圓12之上;第二單晶體石英晶圓16,其設(shè)置在第一單晶體石英晶圓16之上;以及第二Si操控晶圓18,其設(shè)置在第二單晶體石英晶圓18之上。如下面更詳細(xì)論述,LCP接合層20設(shè)置在疊層11中的第一石英晶圓14與第二石英晶圓16之間。此外,石英晶圓14可包含任何數(shù)量的基于石英的裝置(例如石英SAW裝置),并且因此第一石英晶圓14在本文中可稱作裝置晶圓14。第二石英晶圓16沒有包含任何裝置結(jié)構(gòu),并且因此在本文中可稱作加蓋晶圓16,因?yàn)樗鼮檠b置晶圓14的基于石英的裝置周圍的空腔提供蓋子或頂棚。圖1B圖示在去除了Si操控晶圓12和18之后的接合石英晶圓封裝10的結(jié)構(gòu),如下面論述。
晶圓12、14、16和18以及LCP接合層20的厚度在某些實(shí)施例中可以是不同的。在一些實(shí)施例中,第一和第二Si操控晶圓12和18可具有100微米(μm)厚至2000 μm厚的范圍中的厚度,裝置晶圓14和加蓋晶圓16可具有50 μm厚至1000 μm厚的范圍中的厚度,以及LCP接合層20可具有10 μm厚至200 μm厚的范圍中的厚度。在一個示例實(shí)施例中,第一和第二Si操控晶圓12和18各可為大約500微米(μm)厚,裝置晶圓14和加蓋晶圓16可為大約200 μm厚,以及LCP接合層20可為大約50 μm厚。LCP接合層20可從具有預(yù)定厚度的膜來切割,以限定最終空腔高度(例如裝置晶圓14與加蓋晶圓16之間的間隙)。而且,LCP接合層20可具有比其他接合材料(例如玻璃粉)要低的CTE,并且因而可在接合期間更好地符合單晶體石英材料性質(zhì)。
LCP接合層20的另一個益處涉及其彈性模量。負(fù)荷可在裝置晶圓14與在裝置晶圓14之上設(shè)置的材料(例如LCP接合層20)之間分擔(dān)。因此,對于基于石英的SAW轉(zhuǎn)矩傳感器,例如,更硬的接合層20導(dǎo)致通過SAW裝置進(jìn)行的貌似更低的應(yīng)變測量,因?yàn)閼?yīng)變部分傳遞到更硬的接合層20。相應(yīng)地,當(dāng)前所公開的LCP接合層20具有比一些其他接合材料(例如玻璃粉)要低的彈性模量,并且因此更大應(yīng)變量能夠到達(dá)裝置晶圓14的SAW裝置并且由其來檢測。因此,與其他類型的接合材料相比,LCP接合層20實(shí)現(xiàn)某些類型的基于石英的裝置(例如石英SAW裝置)的更大靈敏度和增強(qiáng)精度。
如先前所述,通過對疊層11增加厚度和機(jī)械強(qiáng)度,Si操控晶圓12和18可用來阻止易碎單晶體石英在接合期間斷裂。但是,在接合疊層11之后,可去除第一和第二Si操控晶圓12和18,從而導(dǎo)致圖1B所描繪的接合石英晶圓封裝10。應(yīng)當(dāng)注意,圖1B所示的接合石英晶圓封裝10可切割為個別切塊接合石英晶圓封裝21,并且管芯附連粘合劑層22可施加到每個切塊接合石英晶圓封裝21。管芯附連粘合劑層22可用來將切塊接合石英晶圓封裝21附連到待監(jiān)測組件,例如直升機(jī)、飛機(jī)、汽車、船只、變速器等的軸。應(yīng)當(dāng)注意,管芯附連粘合劑層22可耦合到任何適當(dāng)襯底。如下面將詳細(xì)論述,在某些實(shí)施例中,可匹配管芯附連粘合劑層22和LCP接合層20的粘彈性性質(zhì),以提供自行補(bǔ)償切塊接合石英晶圓封裝21。如所示,管芯附連粘合劑層22外露,并且可用來將切塊接合石英晶圓封裝21的一部分耦合到適當(dāng)結(jié)構(gòu)。
應(yīng)當(dāng)理解,在一些實(shí)施例中,裝置晶圓14內(nèi)存在的基于石英的裝置可作為SAW轉(zhuǎn)矩傳感器運(yùn)行。例如,如上所述,在切割之后,封裝SAW轉(zhuǎn)矩傳感器可放置在飛機(jī)、汽車或機(jī)器的任何適當(dāng)部分、例如軸上。當(dāng)轉(zhuǎn)矩施加到軸時,軸上存在外部應(yīng)變,其經(jīng)過管芯附連粘合劑22來傳遞到切塊接合石英晶圓封裝21的裝置晶圓14。指示應(yīng)變的表面聲波跨單晶體石英材料傳播,并且波的頻率可基于叉指結(jié)構(gòu)的間距在裝置晶圓14的SAW裝置的叉指結(jié)構(gòu)之間增加或降低。也就是說,當(dāng)拉緊單晶體石英材料時,叉指結(jié)構(gòu)的間距可發(fā)生變化,并且頻率可發(fā)生變化。從轉(zhuǎn)矩傳感器接收指示波的電信號的處理器可由處理器來分析,以確定波(例如應(yīng)變)的頻率和叉指結(jié)構(gòu)的取向。
圖2是按照本公開的實(shí)施例、適合于封裝圖1A和圖1B的接合石英晶圓封裝10的一般方法30的流程圖。應(yīng)當(dāng)注意,下面按照單獨(dú)流程圖更詳細(xì)描述方法30的每個步驟的細(xì)節(jié)。在其他實(shí)施例中,方法30可包含更少步驟和/或按照與圖2所提出的實(shí)施例不同的順序所執(zhí)行的步驟。
圖2所圖示的方法30的實(shí)施例包含制備LCP接合層20、裝置晶圓14和加蓋晶圓16用于接合(方法框32)。所圖示方法30還包含在疊層11中將LCP接合層20與裝置晶圓14對齊(方法框34),并且在疊層11中將裝置晶圓14與加蓋晶圓16對齊(方法框30)。所圖示方法30還包含接合疊層11以形成接合石英晶圓封裝10(方法框38),并且將接合石英晶圓封裝10切割為個別切塊接合石英晶圓封裝21(方法框40)。
更具體來說,圖3是適合于制備LCP接合層20、裝置晶圓14和加蓋晶圓16用于接合的方法42的實(shí)施例的流程圖。圖3所圖示的方法42包含得到LCP接合層20的LCP片材(方法框44),并且在片材中切割(例如激光切割)開口(方法框46),以便當(dāng)LCP片材設(shè)置在裝置晶圓14與加蓋晶圓16之間時安裝在裝置晶圓14的裝置周圍。另外,圖3所圖示的方法42包含在預(yù)期溫度(例如100、105、110、115或120℃)下將LCP片材真空烘焙預(yù)期時間段(例如1、2、3、4或5小時)(方法框48)。圖3所圖示的方法42還包含按照任何適當(dāng)結(jié)構(gòu)(例如桶)將晶圓14和16等離子體灰化預(yù)期時間段(例如1、2、3、4、5或6分鐘)(方法框50)。
圖4是按照本公開的實(shí)施例、適合于將LCP接合層20與裝置晶圓14對齊(圖2的方法框34)的方法52的實(shí)施例的流程圖。圖4所圖示的方法52包含將裝置晶圓14放置到第一Si操控晶圓12上(方法框54)。在一些實(shí)施例中,500 μm厚的Si操控晶圓可用于第一Si操控晶圓12。但是,可適當(dāng)?shù)厥褂萌魏晤A(yù)期厚度(例如400、450、500、550或600 μm)。所圖示方法52包含將烘焙LCP接合層20覆蓋到裝置晶圓14上(方法框56)。然后,所圖示方法52包含將LCP接合層20的基準(zhǔn)標(biāo)記與裝置晶圓14的基準(zhǔn)標(biāo)記對齊(方法框58)。在某些實(shí)施例中,方法框58的對齊可使用變焦范圍(zoom scope)手動地或者使用對齊裝置自動地執(zhí)行。所圖示方法52還可包含使用玻璃蓋片將LCP接合層20在裝置晶圓14上保持在適當(dāng)?shù)奈恢?方法框60)。LCP接合層20可在LCP接合層20的周邊周圍以預(yù)期間隔距離(例如1-5毫米(mm)、5-10 mm或10-15 mm)來固定(tack)到裝置晶圓14(方法框62)。在一些實(shí)施例中,烙鐵可用來將LCP接合層20固定到裝置晶圓14,并且烙鐵可設(shè)置成預(yù)期溫度(例如640、650、660、670或680°F)。所圖示方法52還包含去除蓋玻璃(方法框64)。
圖5是適合于將第一石英晶圓與第二石英晶圓對齊(圖2的方法框36)的方法66的實(shí)施例的流程圖。所圖示方法66包含采用附連LCP接合層20將第一Si操控晶圓12和裝置晶圓14放置到晶圓接合器傳輸夾具上(方法框68)。方法框68的裝載可包含檢驗(yàn)第一Si操控晶圓12和裝置晶圓14在晶圓接合器傳輸夾具中具有平坦取向。在一些實(shí)施例中,由于使用LCP接合層20,接合石英晶圓封裝10可以不包含設(shè)置在裝置晶圓14與加蓋晶圓16之間的隔離片。但是應(yīng)當(dāng)注意,在一些實(shí)施例中,所圖示方法66可包含將隔離片(例如40微米)放置到裝置晶圓14上的空腔位置(例如8、9或10個位置)中(可選方法框70)。
此外,所圖示方法66還包含將加蓋晶圓16和第二Si操控晶圓18的平面對齊在一起(方法框72)。第二Si操控晶圓可以為500 μm厚。但是,任何適當(dāng)厚度(例如400、450、500、550或600 μm)可用于第二Si操控晶圓18。然后,加蓋晶圓16和第二Si操控晶圓18可在晶圓接合器傳輸夾具中放置在裝置晶圓14上面,以形成疊層11(方法框74)。所圖示方法66還包含應(yīng)用晶圓接合器傳輸夾具的夾子將疊層11保持在適當(dāng)位置(方法框76)。
一旦疊層11布置在晶圓接合器傳輸夾具中,晶圓接合器傳輸夾具可裝載到接合器工具上,以及表示接合過程(例如“配方”)的指令集可加載到晶圓接合器工具上。指令可由晶圓接合器工具來運(yùn)行,以運(yùn)行接合過程。圖6-8圖示包含用于經(jīng)由LCP接合層20來接合裝置晶圓14和加蓋晶圓16以形成接合石英晶圓封裝10的指令的方法的示例實(shí)施例的流程圖。
開始于圖6,圖示適合于接合疊層11以形成圖1A和圖1B的接合石英晶圓封裝(圖2的方法框38)的一般方法80的實(shí)施例的流程圖。所圖示方法80包含將包含石英晶圓封裝(例如疊層11)的晶圓接合器傳輸夾具裝載到晶圓接合器工具中(方法框82),并且應(yīng)用晶圓接合器工具的接觸銷(方法框84)。晶圓接合器工具的接觸銷可提供夾持力,以阻止疊層11的組件移動和失去對齊。接下來,方法80可包含采用氮或其他預(yù)期氣氛對包含疊層11的晶圓接合器工具的密封室進(jìn)行泵清洗(方法框86)。對密封室的泵清洗可實(shí)現(xiàn)控制室中的環(huán)境以及還控制裝置空腔免于不合需要的元素(例如水分)。
所圖示方法80還包含在預(yù)期時間段(例如800、850、900或950秒)內(nèi)斜升(例如增加)到室內(nèi)部的第一溫度(例如250、275、300、325或350℃)。第一溫度可實(shí)現(xiàn)LCP和/或石英材料的熱膨脹,以促進(jìn)接合。然后,一旦達(dá)到第一溫度,第一力(例如1、2、3或4 psi)可通過接觸銷來施加(方法框90)。在一些情況下,接觸銷的力可使裝置晶圓14和加蓋晶圓16中的石英材料的翹曲為最小。在施加第一力之后,所圖示方法80包含在第一溫度和第一力停留預(yù)期時間段(例如13、14、15、16、17分鐘)(方法框92),以允許石英層14和16、LCP接合層20以及Si操控晶圓12和18均衡。
繼續(xù)進(jìn)行圖6所圖示的方法80,在預(yù)期時間段到期之后,所圖示方法80包含在預(yù)期時間段(例如13、14、15、16、17分鐘)內(nèi)冷卻到低于第一溫度的第二溫度(例如200、225、250、275或300℃)(方法框94)。緩慢冷卻到第二溫度可實(shí)現(xiàn)石英層14和16以及LCP接合材料20的移動,同時均衡并且阻止單晶體石英材料的斷裂。然后,來自接觸銷的力可去除(方法框96),并且室可在預(yù)期時間段(例如500、550、600或650秒)內(nèi)冷卻到低于第一和第二溫度的第三溫度(例如30、35、40或45℃)。然后,接合過程結(jié)束,并且晶圓接合器傳輸夾具從接合器工具卸載(方法框100)。在所圖示方法80結(jié)束時,裝置晶圓14和加蓋晶圓16經(jīng)由LCP接合層20來接合,以形成接合石英晶圓封裝10。
圖7A和圖7B是適合于使用包含陽極銷頂板的晶圓接合器工具來接合疊層11以形成圖1A和圖1B的接合石英晶圓封裝10(圖2的方法框38)的方法110的實(shí)施例的流程圖。所圖示方法110包含將包含石英晶圓封裝(例如疊層11)的晶圓接合器傳輸夾具裝載到晶圓接合工具中(方法框112)。接合器工具的室可采用氮清洗,以防止水分影響裝置晶圓14的裝置(例如SAW裝置)的空腔內(nèi)部的環(huán)境(方法框114)。然后,可應(yīng)用頂銷,以與疊層11進(jìn)行接觸(方法框116),以及可去除晶圓接合器傳輸夾具夾子(方法框118),因?yàn)轫斾N將疊層11的材料保持在適當(dāng)位置。方法110可包含將室進(jìn)行泵清洗預(yù)期次數(shù)(例如1、2、3、4、5)(方法框120),以便進(jìn)一步控制疊層11中和周圍的環(huán)境。
所圖示方法110包含在預(yù)期時間段(例如800、850、900、950秒)內(nèi)斜升到室內(nèi)部的第一溫度(例如135、140、145、150、155℃)(方法框122)。然后,一旦達(dá)到第一溫度,所圖示方法110包含在第一溫度停留預(yù)期時間段(例如13、14、15、16、17分鐘)(方法框124),以允許石英材料、LCP和Si均衡。在預(yù)期時間段到期之后,方法110可包含在預(yù)期時間段(例如1600、1700、1800、1900、2000秒)內(nèi)斜升到高于第一溫度的第二溫度(例如280、290、300、310、320℃)(方法框126)。一旦達(dá)到第二溫度,所圖示方法110包含在第二溫度停留預(yù)期時間段(例如25、30、35、40、45分鐘)(方法框128)。晶圓接合器工具可經(jīng)由陽極頂銷來施加力(例如135、150、165毫巴)(方法框130),因此將LCP接合層20、裝置晶圓14和加蓋晶圓16壓在一起,以促進(jìn)接合。
所圖示方法110包含在預(yù)期時間段(例如500、550、600、650秒)內(nèi)冷卻到第三溫度(例如240、250、260℃)(方法框132)。然后,可去除晶圓接合器工具力(方法框134),以及溫度可在預(yù)期時間段(例如1100、1200、1300秒)內(nèi)冷卻到第四溫度(例如90、100、110℃)(方法框136)。一旦在第四溫度,溫度可在預(yù)期時間段(例如550、600、650秒)內(nèi)再次冷卻到第五溫度(例如30、40、50℃)(方法框138)。接合過程隨后可結(jié)束,并且晶圓接合器傳輸夾具可從接合器工具卸載(方法框140)。在所圖示方法80結(jié)束時,裝置晶圓14和加蓋晶圓16經(jīng)由LCP接合層20來接合,以形成圖1A和圖1B所圖示的接合石英晶圓封裝10。
圖8A和圖8B是適合于使用包含平頂板的晶圓接合器工具來接合疊層11以形成圖1A和圖1B的接合石英晶圓封裝10(例如疊層11)(圖2的方法框38)的方法150的實(shí)施例的流程圖。平頂板具有比陽極銷頂板要大的表面面積,并且因而圖8的方法150與圖7的方法110之間的差異可包含使用更大板來施加壓力/力的時間。所圖示方法150包含將包含石英晶圓封裝(例如疊層11)的晶圓接合器傳輸夾具裝載到接合器工具中(方法框152)。接合器工具的室可采用氮清洗,以防止水分影響裝置晶圓14的裝置空腔內(nèi)部的環(huán)境(方法框154)。方法150還可包含將室進(jìn)行泵清洗預(yù)期次數(shù)(例如1、2、3、4、5)(方法框120),以便進(jìn)一步控制疊層11中以及周圍和內(nèi)部的環(huán)境。
然后,所圖示方法150包含在預(yù)期時間段(例如800、850、900、950秒)內(nèi)斜升到室內(nèi)部的第一溫度(例如135、140、145、150、155℃)(方法框158)。一旦達(dá)到第一溫度,方法150包含在第一溫度停留預(yù)期時間段(例如13、14、15、16、17分鐘)(方法框160),以允許石英材料、LCP和Si均衡。在預(yù)期時間段到期之后,方法150可包含在預(yù)期時間段(例如1600、1700、1800、1900、2000秒)內(nèi)斜升到高于第一溫度的第二溫度(例如280、290、300、310、320℃)(方法框162)。一旦達(dá)到第二溫度,方法150包含在第二溫度停留預(yù)期時間段(例如33、34、35、36或37分鐘)(方法框164)。然后,可應(yīng)用頂板,以與疊層11進(jìn)行接觸(方法框166),以及可去除晶圓接合器傳輸夾具夾子(方法框168),因?yàn)轫敯鍖B層11的材料保持在適當(dāng)位置。力(例如140、145、150、155或160 mBar)可由晶圓接合工具來施加(方法框170)。
所圖示方法110還包含在預(yù)期時間段(例如500、550、600、650秒)內(nèi)將室冷卻到第三溫度(例如240、250、260℃)(方法框172)。然后,可去除晶圓接合器工具力(方法框174),以及室可在預(yù)期時間段(例如1100、1200、1300秒)內(nèi)冷卻到第四溫度(例如90、100、110℃)(方法框176)。一旦在第四溫度,室可在預(yù)期時間段(例如550、600、650秒)內(nèi)再次冷卻到第五溫度(例如30、40、50℃)(方法框178)。接合過程隨后可結(jié)束,并且晶圓接合器傳輸夾具可從接合器工具卸載(方法框180)。在方法150結(jié)束時,裝置晶圓14和加蓋晶圓16經(jīng)由LCP接合層20來接合,以形成接合石英晶圓封裝10。
在一些實(shí)施例中,接合石英晶圓封裝10的石英層14或16可經(jīng)過接合后薄化。對于SAW轉(zhuǎn)矩傳感器,例如,薄化接合石英晶圓封裝10可通過降低能夠吸收所傳遞應(yīng)變的材料量來增加裝置層14的SAW裝置的應(yīng)變靈敏度。
一旦成功接合疊層11,接合石英晶圓封裝10可切割為個別裝置管芯(例如切塊接合石英晶圓封裝21)。相應(yīng)地,圖9是按照本公開的實(shí)施例、適合于切割圖1A和圖1B的接合石英晶圓封裝10(圖2的方法框40)的方法190的實(shí)施例的流程圖。所圖示方法190包含以特定角(例如45°)執(zhí)行斜坡切割,以展示在密封環(huán)下面突出的絲焊盤(wire pad)區(qū)域(方法框192)。方法框192所執(zhí)行的斜坡切割可以僅經(jīng)過加蓋晶圓16進(jìn)行切割。然后,另一個斜坡切割可沿包圍個別裝置的四條邊以特定角(例如45°)來執(zhí)行,其部分切入裝置晶圓14中(方法框194)。最后,直切在接合石英晶圓封裝10的個別裝置的四條邊的每個上來執(zhí)行,其始終經(jīng)過接合石英晶圓封裝10進(jìn)行切割(方法框196)。在方法框196之后,接合石英晶圓封裝10的每個裝置可以是切塊接合石英晶圓封裝21。所圖示方法190允許按照使外露的裝置晶圓14的量為最小的方式來切割接合石英晶圓封裝10。另外,屏蔽涂層(例如氮化硅、氧化鋁、氧化硅、金屬、鈦)可施加在切塊接合石英晶圓封裝10之上,用于附加氣密性。
圖10是按照本公開的實(shí)施例、包含在其上設(shè)置的許多SAW裝置200的接合石英晶圓封裝10的自頂向下圖。如應(yīng)當(dāng)領(lǐng)會,由于接合石英晶圓封裝10的所描繪實(shí)施例沒有包含隔離片,所以與如果隔離片相比,更多SAW裝置200能夠安裝到接合石英晶圓封裝10上。如放大(blown up)透視圖201所圖示,SAW裝置200包含裝置晶圓14與加蓋晶圓16之間所形成的空腔202。三個叉指結(jié)構(gòu)204設(shè)置在空腔202內(nèi)部,并且能夠?qū)⒈砻媛暡ㄞD(zhuǎn)換成電信號。而且,每個SAW裝置200包含設(shè)置在空腔202內(nèi)的互連206。另外,每個SAW裝置200可包含絲焊盤208,其實(shí)現(xiàn)到裝置200的電耦合。
圖11是按照本公開的實(shí)施例的切塊接合石英晶圓封裝21的透視圖。切塊接合石英晶圓封裝21產(chǎn)生于接合石英晶圓封裝10的分離(例如將接合石英晶圓封裝10切割為個別裝置管芯),如上所述。如所圖示,切塊接合石英晶圓封裝21包含經(jīng)由LCP接合層20所接合的裝置晶圓14和加蓋晶圓16。而且,SAW裝置200包含設(shè)置在空腔202(其在裝置晶圓14與加蓋晶圓16之間形成)中的叉指結(jié)構(gòu)204。此外,如所描繪,使絲焊盤208(例如I/O焊盤)外露,以實(shí)現(xiàn)到切塊接合石英晶圓封裝21的SAW裝置200的電耦合。
圖12是按照本公開的實(shí)施例、作為軸210上設(shè)置的轉(zhuǎn)矩傳感器209進(jìn)行操作的切塊接合石英晶圓封裝21(即,切割之后的接合石英晶圓封裝10的管芯)的簡圖。圖13是按照本公開的實(shí)施例、壓緊圖12的轉(zhuǎn)矩傳感器209和軸210的力的模型212。圖14是顯示與管芯附連粘合劑22的粘彈性性質(zhì)相反地匹配和中和的LCP接合層20的粘彈性性質(zhì)的圖表214。為了清楚起見,下面共同論述附圖。應(yīng)當(dāng)注意,圖12和圖13包含通過“S”所表示的用于彈簧的縮寫詞以及通過“SD”所表示的用于彈簧阻尼器的縮寫詞。
如圖12所描繪,轉(zhuǎn)矩傳感器209可經(jīng)由管芯附連粘合劑22來附連到軸210(例如鋼)。如先前所論述,當(dāng)轉(zhuǎn)矩施加到軸210時,在軸210上存在應(yīng)力或應(yīng)變,其可經(jīng)過管芯附連粘合劑22傳遞到裝置晶圓14(其包含(一個或多個)SAW裝置)的單晶體石英、LCP接合層20和加蓋晶圓16的單晶體石英。因此,軸210可作為彈簧運(yùn)行,其向轉(zhuǎn)矩傳感器209供應(yīng)應(yīng)力或應(yīng)變。管芯附連粘合劑22可作為彈簧阻尼器運(yùn)行,裝置晶圓14可作為彈簧運(yùn)行,LCP接合層20可作為彈簧阻尼器運(yùn)行,以及加蓋晶圓16可作為彈簧運(yùn)行。
圖13的力模型212幫助圖示轉(zhuǎn)矩傳感器209的粘合劑的粘彈性性質(zhì)的時間相關(guān)性。存在轉(zhuǎn)矩傳感器209的兩種粘合劑:管芯附連粘合劑22和LCP接合層20。如所描繪,ΔX應(yīng)變可通過鋼軸來施加。在時間0,負(fù)荷因總體位移而傳送到管芯附連粘合劑22。在裝置晶圓14頂部處的彈簧中的應(yīng)變是SAW輸出216,其可由處理器來處理,以確定應(yīng)變的頻率。當(dāng)應(yīng)變經(jīng)過管芯附連粘合劑22來傳遞時,彈簧阻尼器開始生效,以及管芯附連粘合劑22的彈簧常數(shù)在粘合劑22的兩側(cè)上變小,由此隨時間而降低應(yīng)變。也就是說,管芯附連粘合劑22的粘彈性性質(zhì)使應(yīng)變隨時間而降低,這可影響通過轉(zhuǎn)矩傳感器209對應(yīng)變的測量。但是,LCP接合層20的粘彈性性質(zhì)提供相反平衡效果,從而隨時間而增加應(yīng)變,以抵消管芯附連粘合劑22的上述降低應(yīng)變。使用LCP作為接合層提供實(shí)現(xiàn)LCP接合層20和管芯附連粘合劑22的粘彈性時間相關(guān)行為的匹配的益處。在組合中,管芯附連粘合劑22和LCP接合層22能夠提供自行補(bǔ)償結(jié)構(gòu)。
管芯附連粘合劑效果218和LCP效果220也在圖14的圖表214中描繪。如所描繪,管芯附連粘合劑效果218示出應(yīng)變隨時間而降低,而LCP效果220示出應(yīng)變隨時間而增加。因此,對于轉(zhuǎn)矩傳感器209,兩種效果能夠相互中和,以便使準(zhǔn)確轉(zhuǎn)矩測量能夠被得到。
技術(shù)的技術(shù)效果包含提供經(jīng)由LCP接合層來接合在一起的基于石英的裝置。本文所公開的接合方法能夠克服通常與單晶體石英關(guān)聯(lián)的難題,例如其易碎性及其低熱膨脹系數(shù)(CTE)。如上所述,LCP接合材料提供若干優(yōu)點(diǎn),例如具有與單晶體石英類似的CTE、增強(qiáng)SAW裝置的靈敏度的低彈性模量以及相反地匹配管芯附連粘合劑22的粘彈性性質(zhì)的時間相關(guān)粘彈性性質(zhì),由此實(shí)現(xiàn)由SAW裝置進(jìn)行的更準(zhǔn)確應(yīng)變測量。
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