CN103137509A

CN103137509A - 用于晶圆键合的装置及晶圆键合方法

Info

Publication number: CN103137509A
Application number: CN2011103943047A
Authority: CN
Inventors: 唐世弋
Original assignee: Shanghai Micro Electronics Equipment Co Ltd
Current assignee: Shanghai Xinshang Microelectronics Technology Co ltd
Priority date: 2011-12-02
Filing date: 2011-12-02
Publication date: 2013-06-05
Anticipated expiration: 2031-12-02
Also published as: CN103137509B

Abstract

本发明公开一种用于晶圆键合的装置，包括：第一腔室，用于对准该晶圆；第二腔室用于键合该晶圆；第三腔室，用于冷却该晶圆；第二腔室包括与第一腔室连接的第一接口和与第二腔室连接的第二接口；该第一腔室和第三腔室均包括一与外界连接的接口。本发明同时公开一种晶圆键合的方法。

Description

用于晶圆键合的装置及晶圆键合方法

技术领域

本发明涉及一种半导体制造装备领域，尤其涉及一种用于晶圆键合的装置及晶圆键合方法。

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，常用的键合技术有：硅-硅直接键合、硅-玻璃直接键合、金属扩散键合、聚合物粘接键合等，该技术已经应用于多个半导体领域，比如3D-TSV、HB-LED、SOI、MEMS等，是未来半导体行业发展的重要技术之一。

根据不同的应用领域，晶圆键合的工艺参数都不相同，但是基本原理相似。键合工艺的示意图如图1所示，在真空环境中，图1中的两个硅片2、3通过压力控制装置1施加一定压力，同时用加热板4加热和电源控制6施加电流，以达到键合的目的。通常情况下一套完整的晶圆键合工艺主要由两类设备组成：对准设备和键合设备。对准设备能够将两片晶圆根据对准标记对准并且紧紧贴在一起；键合设备能够将不同材料的晶圆结合在一起。一般使用对准设备将一对晶圆对准和固定需要5~8分钟，键合设备键合一对晶圆需要45~60分钟，键合设备的温度与时间曲线如图2所示。根据键合腔升降温度时间，可以把键合工艺分成三个阶段，首先在10分钟内将键合腔内抽真空到键合需要的真空度，同时升高键合腔内的温度到键合所需要的温度；然后在保持真空度和键合温度的条件下施加一定的键合压力和高电压，并保持20分钟左右；最后还需要15分钟左右的降温退火到环境温度和标准大气压。

上述键合工艺流程的主要缺点在于：第一、对于手动设备，对准和键合所用的时间不同且相差很大,造成生产节拍不一致, 键合包括抽真空、升温、压合和通电、冷却，时间显著比对准长——因此生产效率较低；此外，通过操作人员使晶圆从对准设备转移到键合设备时也会进一步降低生产效率(并引入一定的对准偏差)。第二、对于自动设备，通常会把对准设备与键合设备集合在一台设备上，并通过机械手传递晶圆以减少误差和提高产能，但是仍然没有解决对准和键合所用的时间不同造成生产效率低的问题。第三、传统键合设备工作时需要反复串行执行抽真空、升温、加压力和加电压、降温、充气降温等过程，生产效率低，浪费了大量时间和能源。

因此现有技术中亟需要一种新的晶圆键合装置和晶圆键合方法。

发明内容

为了克服现有技术中存在的技术缺陷，本发明提供一种用于晶圆键合的装置及晶圆键合方法，该装置及方法能显著缩短工艺时间，极大提高生产效率。

为了实现上述发明目的，本发明提供一种用于晶圆键合的装置，包括：第一腔室，用于对准该晶圆；第二腔室用于键合该晶圆；第三腔室，用于冷却该晶圆；第二腔室包括与第一腔室连接的第一接口和与第二腔室连接的第二接口；该第一腔室和第三腔室均包括一与外界连接的接口。

更进一步地，该第一腔室包括一晶圆对准系统，一真空系统以及一传输系统。该第二腔室包括一真空系统，一承载单元、一压力单元以及一温度控制系统。该承载单元及压力单元的形状与该晶圆一致。该第三腔室包括一冷却系统，一真空系统以及一传输系统。该晶圆对准系统包括对准夹具和至少一个探测器。

本发明同时提供一种晶圆键合的方法，包括：使待键合晶圆依次经过对准腔、键合腔及冷却腔；当第一待键合晶圆位于键合腔时，第二待键合晶圆进入对准腔；当第一待键合晶圆位于冷却腔时，第二待键合晶圆进入键合腔，第三待键合晶圆进入对准腔。

更进一步地，使待键合晶圆依次经过对准腔、键合腔及冷却腔具体包括：步骤一、打开对准腔门，使该晶圆在对准腔内对准后使该对准腔内呈真空状态；步骤二、打开键合腔与对准腔之间的接口，将该晶圆送至键合腔后关闭该键合腔与对准腔之间的接口并使该键合腔内呈真空状态，开始键合；步骤三、打开键合腔与冷却腔之间的接口，将该晶圆送至冷却腔后关闭该键合腔与冷却腔之间的接口，对该晶圆降温。

更进一步地，该步骤一中真空状态下的真空度为10^-3mbar。该步骤二中真空状态下的真空度为10^-5mbar，该键合步骤具体包括：使键合腔温度达到400℃时，使该晶圆承受10KN的压力。该步骤三中降温步骤具体包括：将惰性气体注入冷却腔。

与现有技术相比较，本发明首次提出了一个有三个可以密封结构的晶圆键合设备，优化键合工艺流程，使各工序都能效率最大化。三个工作腔之间有隔离门分隔开，工作腔可以同时工作，互相通过机械手传递晶圆。对准腔在完成对准功能后，对腔内进行预抽低真空的工艺。键合腔始终保持键合的真空度和键合温度，由于在对准腔内已经预抽低真空，所以减少了键合前的准备工作。键合腔不需要充惰性气体冷却，键合好的晶圆后处理在冷却腔内完成，因此该设备在减少能源消耗的同时极大的提高了生产效率。由于传统设备中串行执行的对准与抽真空、加压和冷却等步骤在本发明的装置和方法中被转为并行执行，所以键合时间显著缩短，达到提高生产效率的目的。

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是现有技术中常见的晶圆键合装置的结构示意图；

图2是晶圆键合工艺温度、真空度与时间关系的示意图；

图3是现有技术中的对准、键合系统的原理示意图；

图4是本发明所示出的晶圆键合装置的结构示意图；

图5是本发明所示出的晶圆键合装置的俯视图；

图6是本发明所示出的晶圆键合方法的流程图；

图7至图9是本发明所示出的晶圆键合装置的工作状态示意图；

图10是本发明所示出的晶圆键合方法的工艺流程时序图。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的一种具体实施例的晶圆键合装置。然而，应当将本发明理解成并不局限于以下描述的这种实施方式，并且本发明的技术理念可以与其他公知技术或功能与那些公知技术相同的其他技术组合实施。

在以下描述中，为了清楚展示本发明的结构及工作方式，将借助诸多方向性词语进行描述，但是应当将“前”、“后”、“左”、“右”、“外”、“内”、“向外”、“向内”、“上”、“下”等词语理解为方便用语，而不应当理解为限定性词语。此外，在以下描述中所使用的“Y方向”一词主要指与水平向平行的方向，“X方向”一词主要指与水平向平行的且与Y方向垂直的方向，“Z方向”一词主要指与水平向垂直的方向。

本发明提供一种用于晶圆键合的装置，包括：第一腔室，用于对准所述晶圆；第二腔室用于键合所述晶圆；第三腔室，用于冷却所述晶圆；第二腔室包括与第一腔室连接的第一接口和与第二腔室连接的第二接口；所述第一腔室和第三腔室均包括一与外界连接的接口。上述三个腔室可以同时并行工作能有效提高生产效率。

传统的键合系统的原理如图3所示，根据功能可分为对准部分和键合部分。工作原理是：首先将一片晶圆安装在对位夹具用定位销固定；然后将另一片晶圆安装在对位夹具上，通过对准装置将两片晶圆的对准标记呈像到显示屏上，调整两片晶圆的相对位置后，用定位销固定。其中根据对准标记的相对位置的不同，会选用不同的对准装置如图3中的8中，硅片背对背对准时使用两个图形CCD对准。当准标记在键合面时，会采用红外对准，其中当使用反射式红外对准的示意图如图3中的9所示，采用红外透射式对准的示意图如图3中的10所示。最后将晶圆和对位夹具一起转移至键合腔内，键合腔通过抽真空、升温、加压、保温、减压、降温、充气等一系列动作完成键合。

本发明的基本结构原理如图4所示，主要由对准腔10、键合腔20和冷却腔30组成。对准腔10有一扇可以与外部环境相连通的门（图中未示出），可以通过手动或自动的方法将晶圆40放在定位夹具12上并对准。晶圆40被固定在定位夹具12上后关闭门，将对准腔10内抽到一定真空度。当对准腔的真空度达到设定值后，对准腔10和键合腔20之间的隔离门22打开，对准腔10内的机械手11通过XZ方向运动将定位夹具12送到键合腔20的承载盘24上。键合腔20的真空系统和控温系统使键合腔内始终保持晶圆键合的键合温度和键合真空度。在机械手11退回对准腔、隔离门22关闭后，压力盘21会有一个向下的Z方向运动，并在接触到晶圆40上表面后以预设的键合压力下压一段时间并可根据工艺需要施加电压。

完成键合工艺后，压力盘21会有一个向上的Z方向运动退回原位置。冷却腔30有一扇可以与外部环境相连通的门（图中未示出），可以通过手动或自动的方法将机械手2的定位夹具12取出。在压力盘21退回后，冷却腔30和键合腔20之间的隔离门23打开，冷却腔30内的机械手32通过XY方向运动将定位夹具12从键合腔20内取出。关闭隔离门23后，冷却腔30的充惰性气体系统充惰性气体降温，最后开门取出定位夹具12和晶圆40。

在本实施方式中对准腔10除了包括一定位夹具12和机械手11外，还包括一晶圆对准系统（图中未示出）。该晶圆对准系统包括至少一个探测器设备，通常采用CCD相机。

本发明的俯视示意图如图5所示，对准腔和冷却腔各有一扇门50可以R_y方向打开。门关闭后，所对应的腔体可以自动开始抽真空。

图7至图9是本发明所示出的晶圆键合装置的工作状态示意图。如图7至8中所示，对准腔10、键合腔20和冷却腔30可以同时工作，当第一对待键合晶圆40从对准腔10被传输至键合腔20时，第二对待键合晶圆可以在对准腔10内被对准及固定。当第一对待键合晶圆40从键合腔20被传输至冷却腔30时，第二对待键合晶圆已完成对准及固定，可以从从对准腔10被传输至键合腔20，第三对待键合晶圆可以在对准腔10内被对准及固定。针对该晶圆键合装置的工艺流程时序图，请参见图10。在图10中，C1、C2、C3分别代表对准腔、键合腔、冷却腔，W1、W2、W3……Wn分别代表第一对要键合的硅片、第二对要键合的硅片、第三对要键合的硅片、第N对要键合的硅片。由此可见，本发明所提供的键合装置在一工作时段内能提供三对待键合硅片的加工，大大提高了工作的效率。

使待键合晶圆依次经过对准腔、键合腔及冷却腔具体包括：步骤一、打开对准腔门，使所述晶圆在对准腔内对准后使所述对准腔内呈真空状态；步骤二、打开键合腔与对准腔之间的接口，将所述晶圆送至键合腔后关闭所述键合腔与对准腔之间的接口并使所述键合腔内呈真空状态，开始键合；步骤三、打开键合腔与冷却腔之间的接口，将所述晶圆送至冷却腔后关闭所述键合腔与冷却腔之间的接口，对所述晶圆降温。

以下将将详细说明本发明所提供的晶圆键合的方法。如图6所示，图6是本发明所示出的晶圆键合方法的流程图。开始进行晶圆键合S101，打开对准腔的门S102，使晶圆对准后将晶圆与定位夹具固定S103。完成固定后，关闭对准腔的门S104，并将对准腔抽真空S105，使对准腔内真空度达到10^-3 mbar。完成抽真空后，打开键合腔的第一隔离门S201，利用一机械手将与定位夹具固定的晶圆送入键合腔S202。当定位夹具已位于键合腔内的承载盘上时，机械手退回到对准腔S203。关闭键合腔的第一隔离门S204，对晶圆实现键合S205。此时该晶圆键合装置的工作状态如图7中所示。

当机械手退回到对准腔S203，关闭键合腔的第一隔离门S204，对晶圆实现键合S205。键合工艺条件是在10^-5 mbar的真空度和400℃的环境温度下，压力盘下落，对晶圆施加10KN的力并保持20分钟。同时通过手动或自动方式判断是否有新的晶圆需要键合S210，如果没有，则对准腔不工作；如果有，则返回S201，打开对准腔的门完成下一对晶圆的对准和对准腔的抽真空的动作。此时该晶圆键合装置的工作状态如图8所示。

键合腔内的键合工艺完成后，打开键合腔的第二隔离门S206后，机械手伸入键合腔内S207将取出定位夹具S208。此时该晶圆键合装置的工作状态如图9所示。然后在关闭键合隔离门后S209，在冷却腔内充惰性气体降温S301，同时判断对准腔内是否晶圆需要键合S211，如果有就将晶圆送入键合腔，重新执行S201，否则就结束S400。

在完成降温冷却的工艺后，打开冷却腔的门，将定位夹具从冷却腔中取出后，关闭冷却腔的门并将腔体抽真空到10^-3mbarS303。如果有后续晶圆需要键合，则反复上述工艺流程。

在本实施例中，对准是5分钟左右，而采用传统键合装置进行键合的时间达到50分钟，而采用本键合装置并行执行抽真空、加压与冷却等步骤，键合时间缩短到20分钟左右，因此本装置与方法能显著提高生产效率。

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

1.一种用于晶圆键合的装置，其特征在于，包括：第一腔室，用于对准所述晶圆；第二腔室用于键合所述晶圆；第三腔室，用于冷却所述晶圆；第二腔室包括与第一腔室连接的第一接口和与第二腔室连接的第二接口；所述第一腔室和第三腔室均包括一与外界连接的接口。

2.如权利要求1所述的用于晶圆键合的装置，其特征在于，所述第一腔室包括一晶圆对准系统，一真空系统以及一传输系统。

3.如权利要求1所述的用于晶圆键合的装置，其特征在于，所述第二腔室包括一真空系统，一承载单元、一压力单元以及一温度控制系统。

4.如权利要求3所述的用于晶圆键合的装置，其特征在于，所述承载单元及压力单元的形状与所述晶圆一致。

5.如权利要求1所述的用于晶圆键合的装置，其特征在于，所述第三腔室包括一冷却系统，一真空系统以及一传输系统。

6.如权利要求2所述的用于晶圆键合的装置，其特征在于，所述晶圆对准系统包括对准夹具和至少一个探测器。

7.一种晶圆键合的方法，其特征在于，包括：使待键合晶圆依次经过对准腔、键合腔及冷却腔；当第一待键合晶圆位于键合腔时，第二待键合晶圆进入对准腔；当第一待键合晶圆位于冷却腔时，第二待键合晶圆进入键合腔，第三待键合晶圆进入对准腔。

8.如权利要求7所述的晶圆键合方法，其特征在于，使待键合晶圆依次经过对准腔、键合腔及冷却腔具体包括：

步骤一、打开对准腔门，使所述晶圆在对准腔内对准后使所述对准腔内呈真空状态；

步骤二、打开键合腔与对准腔之间的接口，将所述晶圆送至键合腔后关闭所述键合腔与对准腔之间的接口并使所述键合腔内呈真空状态，开始键合；

步骤三、打开键合腔与冷却腔之间的接口，将所述晶圆送至冷却腔后关闭所述键合腔与冷却腔之间的接口，对所述晶圆降温。

9.如权利要求8所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述步骤一中真空状态下的真空度为10^-3mbar。

10.如权利要求8所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述步骤二中真空状态下的真空度为10^-5mbar，所述键合步骤具体包括：使键合腔温度达到400℃时，使所述晶圆承受10KN的压力。

11.如权利要求8所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述步骤三中降温步骤具体包括：将惰性气体注入冷却腔。