CN106409704B - 一种半自动晶圆键合装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种半自动晶圆键合装置，包括：一键合腔，该键合腔中包括对称分布于该晶圆周向的抽真空口，用于减少并消除抽真空时的非对称气流扰动；一真空单元，用于排出该键合腔的空气，使该键合腔内部呈真空状态；一键合夹具，用于夹持该晶圆；一施压装置，用于提供该晶圆键合时的键合温度和键合压力。

Description

一种半自动晶圆键合装置

技术领域

本发明涉及一种集成电路装备制造领域，尤其涉及一种半自动晶圆键合装置。

背景技术

晶圆键合技术可以将不同材料的晶圆结合在一起，晶圆键合是半导体器件三维加工的一个重要的工艺，无论键合的种类，晶圆键合的主要工艺步骤均包括晶圆表面的处理（清洗、激活），晶圆的对准，以及最终的晶圆键合。 通过这些工艺步骤，独立的单张晶圆被对准，然后键合在一起，实现其三维结构。 键合不仅是微系统技术中的封装技术，而且也是三维器件制造中的一个有机的组成部分，在器件制造的前道工艺和后道工艺中均有应用。现有的最主要的键合应用为硅片和硅片的键合以及硅片和玻璃衬底的键合。

随着晶圆键合技术在微机电系统（MEMS）制造、微光电系统，特别是CMOS图像传感器（CIS）制造、以及新兴的三维芯片制造技术，如硅穿孔（TSV）技术中的广泛应用，键合技术对晶圆键合设备的性能不断提出更高的要求，此外，不断扩大的生产规模也对进一步降低晶圆键合系统的设备拥有成本（COO）提出了更多挑战。

现有技术中的半自动键合装置的主要器件包括提供键合环境的键合腔；抽真空的真空单元；提供加热、冷却功能的上、下压盘；施加键合压力的装置等。晶圆键合的主要流程为：将夹持有对准完成晶圆的键合夹具放置到键合机的键合腔内；关闭键合腔，并开启真空单元将键合腔内抽成真空状态；根据特定的键合工艺需求，进行加压、加热、冷却工艺过程；在键合工艺过程完成后，释放键合腔内真空，打开键合腔，取出键合夹具。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种有利于提高键合质量和效率的优化的半自动晶圆键合装置。

为了实现上述发明目的，本发明公开一种半自动晶圆键合装置，包括：一键合腔，该键合腔中包括对称分布于该晶圆周向的抽真空口，用于减少并消除抽真空时的非对称气流扰动；一真空单元，用于排出该键合腔的空气，使该键合腔内部呈真空状态；一键合夹具，用于夹持该晶圆；一施压装置，用于提供该晶圆键合时的键合温度和键合压力，并在键合过程中，根据键合工艺的进行，对键合压力和键合温度进行实时控制。

更进一步地，该施压装置包括对称结构的上压盘和下压盘。

更进一步地，该上压盘从下自上依次包括压力盘、加热盘、冷却盘和隔热盘，该下压盘由上自下依次包括压力盘、加热盘、冷却盘和隔热盘。

更进一步地，该加热盘内部包括一冷却流道，通过一冷却单元控制冷却介质流经该冷却流道。

更进一步地，该上压盘通过一波纹管与键合腔连接。

更进一步地，该键合装置还包括一压力补偿装置，用于保持所述上压盘的压力盘的位置，使其不受该波纹管和键合腔内部压差的影响。

更进一步地，该压力盘包括温度均化层和面型补偿层。

更进一步地，该温度均化层由SiC制成，该面型补偿层由石墨制成。

更进一步地，该冷却介质为空气或冷却液，当该冷却流道中不包含冷却介质时为真空。

更进一步地，该键合装置还包括一气压控制单元，用于对该波纹管内部压力进行反馈控制。

与现有技术相比较，本发明所提供的技术方案，能最小化抽真空时非对称气流扰动对键合片位置的影响，消除提高键合腔抽真空速度的障碍，缩短抽真空所需时间，提高键合工艺的总体效率；同时，保证了气体由键合腔中心向外流动，降低了气流单侧流动时对晶圆造成二次颗粒污染的风险。

相对于从底部单边加热、或从底部单边冷却的结构，对称的加热和冷却结构，本发明所提供的技术方案可以从上、下两面均匀的对键合片进行温度控制，消除了单边进行温度控制时热传导过程带来的在上、下两张键合片间的温度梯度，因此提高了键合片中的温度均匀性，可以减少两层键合材料由热膨胀不匹配带来的键合完成后键合片的翘曲；从键合片上、下同时进行加热、冷却，相对于单边加热或冷却，可以提高对键合片加热和冷却的速度，有助于提高键合效率。

本发明提供了与加热盘整合为一体，可直接对加热盘进行冷却的结构。集成在加热盘中的冷却流道可以最大限度的提高冷却速度。对加热盘的冷却是直接进行的，消除了零件之间的接触热阻，同时冷却速度不受键合腔内部真空状态的影响。

本发明所提供的技术方案还能最大程度地减少了结构受力不均匀的情况，最大限度的消除了由此导致的结构形变，从而保证了键合压力均匀性。

附图说明

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附图式得到进一步的了解。

图1是本发明所涉及的半自动晶圆键合装置的结构示意图；

图2是本发明所涉及的对称布置的真空口的结构示意图；

图3是本发明所涉及的对称式的加热和冷却装置的结构示意图；

图4是本发明所涉及的直接冷却系统的结构示意图；

图5是本发明所涉及的半自动晶圆键合装置的使用方法流程图；

图6是本发明所涉及的波纹管加压结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的具体实施例。

本发明中的半自动键合装置的结构原理如图 1所示，主要器件包括提供键合环境的键合腔60；抽真空的真空单元70；提供加热、冷却功能的上、下压盘10、20；施加键合压力的加压波纹管40，以及上压盘位置控制及压力补偿结构30等等。晶圆键合的主要流程为：将夹持有对准完成晶圆的键合夹具放置到键合机的键合腔内；关闭键合腔，并开启真空单元将键合腔内抽成真空状态（真空度最高至10-4Pa）；将上压盘下降到接近晶圆的位置，并通过在波纹管内施加气压，使上压盘接触晶圆；根据特定的键合工艺需求，进行加压（压力范围0 - 100kN）、加热（温度范围常温 - 550℃）、冷却工艺过程；在键合工艺过程完成后，释放键合腔内真空，打开键合腔，取出键合夹具。

在晶圆键合时，由于最终产品或键合工艺的需求，通常需在高真空的环境（真空度高于0.1Pa）下进行，因此键合流程中的第一步骤通常为对键合腔内进行抽真空处理。 键合腔内部抽真空的速度越快，正式键合晶圆前的准备时间越短，键合的总体效率也就随之提高了。 提高抽真空速度可通过配备抽气流量更大的真空单元来实现。

在现有的半自动键合装置中，抽真空口均布置在键合腔的一边，在抽真空时，空气的流动相对键合片是不对称的，非对称的空气流动会对键合片造成扰动，引起两张键合片的相对位置偏差，真空抽速越大，空气流速越快，造成的扰动也就越大。为解决抽真空时气流扰动对键合片位置的影响，本技术方案在键合腔60中设计了相对于晶圆周向对称的抽真空口61，参见图 2。 抽真空时，空气的流动相对于晶圆对称，对键合片的扰动最小化。 消除了提高键合腔抽真空速度的障碍。同时，对称的抽真空口布置保证了抽真空时，气体80流向从键合腔中心向外，消除了单侧气流可能带来的对晶圆的颗粒污染的风险。

键合机中的上压盘10和下压盘20的结构相对于键合片62是对称的，从功能上均包括了压力盘14、加热盘13、冷流道12及隔热盘11，参见图 3。 各层结构均为上下对称，材质和厚度均相同。相对于从底部单边加热、或从底部单边冷却的结构，对称的加热和冷却结构，可以从上、下两面均匀的对键合片进行温度控制，消除了单边进行温度控制时热传导过程带来的在上、下两张键合片间的温度梯度，因此提高了键合片中的温度均匀性，可以减少由热膨胀不匹配带来的键合完成后键合片的翘曲。从键合片上、下同时进行加热、冷却的设计，相对于单边加热或冷却，提高了对键合片加热和冷却的速度。

压力盘14采用多层结构，包括温度均化层、面型补偿层。可以根据不同的需求，选择不同的材料，提高压力盘的整体性能。直接接触键合片的压力盘14的温度均化层，使用热稳定性高，热传导系数高的材料，例如SiC，高的热传导系数可以有效的均化加热盘13、冷流道12中的温度不均匀性，保证了键合片的温度均匀性。面型补偿层采用柔性材料，例如石墨，用以补偿面型的微小误差，保证压力传递的均匀性；隔热盘用于隔绝热量向键合腔外部传递，减少漏热，提高加热、冷却的效率。

现有的键合装置中的冷却结构设计通常为：在需要冷却时，使用冷却气体对键合片或加热盘进行冷却； 在需要冷却时，使用一个冷盘接触加热盘进行冷却。 使用气体进行冷却，冷却速度慢，同时需要破坏键合腔内部的真空；使用冷盘接触加热盘冷却，由于冷盘和加热盘之间的接触热阻，冷却速度无法充分发挥，在真空的环境下冷却速度会更慢。本发明中的键合装置中的冷却结构设计采用了集成在加热盘中的冷却流道12的方式，集成在加热盘13中的冷却流道12可以最大限度的提高冷却速度。对加热盘13的冷却是直接进行的，消除了零件之间的接触热阻，冷却速度不受键合腔内部真空状态的影响，可实现高于15℃/min的冷却速度。

同时采用一个冷却单元90控制冷却流道中的介质91，可根据键合过程的需求在真空、空气、冷却液之间切换，参见图4。冷却单元提供三种工作模式：将冷却流道中抽成真空状态，限制加热盘通过冷却介质的漏热，消除在加热工况下冷却结构对加热速度的影响；在冷却流道中通入空气，通过空气冷却加热盘，作为冷却速度较低的一种工作模式； 在冷却流道中通入液体冷却介质，可以快速冷却加热盘，特别在加热盘温度高于冷却介质的沸点的情况下，冷却介质可通过相变冷却加热盘，冷却速度更高。 在上述三种工作模式外，冷却单元还可以控制在冷却流道中介质的流动速度，进而控制冷却速度，提供了更高的工艺灵活性。直接冷却系统可在不影响加热速度的情况下，提供快速冷却的能力，缩短键合工艺时间，有效的提升了键合效率。

典型的加热冷却流程参见图5。501：初始状态为冷却流道中为真空。502：加热盘通电，以最大升温速率加热，此时由于冷却流道中没有介质，不吸收热量，所以不会对升温速率造成影响。503：在升温到指定温度后，通过反馈控制对加热盘进行温控，保持恒定温度一段时间，完成所需的加热工艺过程。504：在冷却阶段，向冷却流道中通入液体冷却剂，以最大降温速率冷却；若冷却剂的沸点温度低于加热盘的当前温度，冷却剂会处于相变冷却的状态，冷却速率可以最大化。505：在冷却阶段中，可通过调节冷却剂的流量，控制降温的速度。506：冷却阶段结束后，向冷却流道中通入加压气体，将液体冷却剂从流道中全部排出并回收。507：最后将冷却流道内的气体抽出，将冷却流道置于真空状态，为下一次加热做准备。

本发明中的键合装置通过波纹管对压力盘均匀施加气压，并通过压力盘将压力传递到键合片62上，参见图 6。在键合过程中，施加压力的结构件，包括支撑键合片的结构件50的变形，均会对键合片受到的压力均匀性造成影响。为减小加压结构的变形，我们采用了在键合片下方使用全键合面刚性的固定结构支撑，同时在键合片上方使用波纹管40对键合面均匀施加气压的设计，最大程度的减少了结构受力不均匀的情况，最大限度的消除了由此导致的结构形变，从而保证了键合压力均匀性。

使用波纹管进行加压时，施加在键合片上的压力会受到键合腔内部压力变化的影响，实际施加的压力是波纹管和键合腔内部的压力差。因此需要通过一个压力补偿装置30，对键合腔内部压力的变化进行补偿。加压机构的工作流程为：通过压盘位置控制机构将压盘快速移动到接近键合片；在键合腔内部抽真空时，压力补偿结构保持压盘的位置，使其不受波纹管和键合腔内部压差的影响；通过气压控制单元对波纹管内部施加压力，使波纹管扩张从而使压盘接触键合片，开始施加键合压力；通过测量波纹管40内部和键合腔60内部的压力，结合压力补偿机构30，气压控制单元100对波纹管内部压力进行反馈控制，使键合压力符合键合工艺的需求。使用波纹管40在全晶圆面上施加压力，可以有效的提高压力均匀性，结合键合腔内部压力补偿结构，能够稳定的进行加压动作，并提供更稳定的键合压力。

与现有技术相比较，本发明所提供的技术方案，能最小化抽真空时非对称气流扰动对键合片位置的影响，消除提高键合腔抽真空速度的障碍，缩短抽真空所需时间，提高键合工艺的总体效率；同时，保证了气体由键合腔中心向外流动，降低了气流单侧流动时对晶圆造成二次颗粒污染的风险。

相对于从底部单边加热、或从底部单边冷却的结构，对称的加热和冷却结构，本发明所提供的技术方案可以从上、下两面均匀的对键合片进行温度控制，消除了单边进行温度控制时热传导过程带来的在上、下两张键合片间的温度梯度，因此提高了键合片中的温度均匀性，可以减少两层键合材料由热膨胀不匹配带来的键合完成后键合片的翘曲；从键合片上、下同时进行加热、冷却，相对于单边加热或冷却，可以提高对键合片加热和冷却的速度，有助于提高键合效率。

本发明提供了与加热盘整合为一体，可直接对加热盘进行冷却的结构。集成在加热盘中的冷却流道可以最大限度的提高冷却速度。对加热盘的冷却是直接进行的，消除了零件之间的接触热阻，同时冷却速度不受键合腔内部真空状态的影响。

本发明所提供的技术方案还能最大程度地减少了结构受力不均匀的情况，最大限度的消除了由此导致的结构形变，从而保证了键合压力均匀性。

本说明书中所述的只是本发明的较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (10)

1.一种半自动晶圆键合装置，其特征在于，包括:

一键合腔，所述键合腔中包括对称分布于所述晶圆周向的抽真空口，用于减少并消除抽真空时的非对称气流扰动；

一真空单元，用于排出所述键合腔的空气，使所述键合腔内部呈真空状态；

一键合夹具，用于夹持所述晶圆；

一施压装置，用于提供所述晶圆键合时的键合温度和键合压力。

2.如权利要求1所述的半自动晶圆键合装置，其特征在于，所述施压装置包括对称结构的上压盘和下压盘。

3.如权利要求2所述的半自动晶圆键合装置，其特征在于，所述上压盘从下自上依次包括压力盘、加热盘、冷却盘和隔热盘，所述下压盘由上自下依次包括压力盘、加热盘、冷却盘和隔热盘。

4.如权利要求3所述的半自动晶圆键合装置，其特征在于，所述加热盘内部包括一冷却流道，通过一冷却单元控制冷却介质流经所述冷却流道。

5.如权利要求2所述的半自动晶圆键合装置，其特征在于，所述上压盘通过一波纹管与键合腔连接。

6.如权利要求3所述的半自动晶圆键合装置，其特征在于，所述键合装置还包括一压力补偿装置，用于保持所述上压盘的压力盘的位置。

7.如权利要求3所述的半自动晶圆键合装置，其特征在于，所述压力盘包括温度均化层和面型补偿层。

8.如权利要求7所述的半自动晶圆键合装置，其特征在于，所述温度均化层由SiC制成，所述面型补偿层由石墨制成。

9.如权利要求4所述的半自动晶圆键合装置，其特征在于，所述冷却介质为空气或冷却液，当所述冷却流道中不包含冷却介质时为真空。

10.如权利要求5所述的半自动晶圆键合装置，其特征在于，所述键合装置还包括一气压控制单元，用于对所述波纹管内部压力进行反馈控制。