一種半自動晶圓鍵合裝置的製作方法
2023-05-02 22:36:40 4
本發明涉及一種集成電路裝備製造領域，尤其涉及一種半自動晶圓鍵合裝置。
背景技術：
晶圓鍵合技術可以將不同材料的晶圓結合在一起，晶圓鍵合是半導體器件三維加工的一個重要的工藝，無論鍵合的種類，晶圓鍵合的主要工藝步驟均包括晶圓表面的處理（清洗、激活），晶圓的對準，以及最終的晶圓鍵合。 通過這些工藝步驟，獨立的單張晶圓被對準，然後鍵合在一起，實現其三維結構。 鍵合不僅是微系統技術中的封裝技術，而且也是三維器件製造中的一個有機的組成部分，在器件製造的前道工藝和後道工藝中均有應用。 現有的最主要的鍵合應用為矽片和矽片的鍵合以及矽片和玻璃襯底的鍵合。
隨著晶圓鍵合技術在微機電系統（MEMS）製造、微光電系統，特別是CMOS圖像傳感器（CIS）製造、以及新興的三維晶片製造技術，如矽穿孔（TSV）技術中的廣泛應用，鍵合技術對晶圓鍵合設備的性能不斷提出更高的要求，此外，不斷擴大的生產規模也對進一步降低晶圓鍵合系統的設備擁有成本（COO）提出了更多挑戰。
現有技術中的半自動鍵合裝置的主要器件包括提供鍵合環境的鍵合腔；抽真空的真空單元；提供加熱、冷卻功能的上、下壓盤；施加鍵合壓力的裝置等。晶圓鍵合的主要流程為：將夾持有對準完成晶圓的鍵合夾具放置到鍵合機的鍵合腔內；關閉鍵合腔，並開啟真空單元將鍵合腔內抽成真空狀態；根據特定的鍵合工藝需求，進行加壓、加熱、冷卻工藝過程；在鍵合工藝過程完成後，釋放鍵合腔內真空，打開鍵合腔，取出鍵合夾具。
技術實現要素：
為了克服現有技術中存在的缺陷，本發明提供一種有利於提高鍵合質量和效率的優化的半自動晶圓鍵合裝置。
為了實現上述發明目的，本發明公開一種半自動晶圓鍵合裝置，包括：一鍵合腔，該鍵合腔中包括對稱分布於該晶圓周向的抽真空口，用於減少並消除抽真空時的非對稱氣流擾動；一真空單元，用於排出該鍵合腔的空氣，使該鍵合腔內部呈真空狀態；一鍵合夾具，用於夾持該晶圓；一施壓裝置，用於提供該晶圓鍵合時的鍵合溫度和鍵合壓力，並在鍵合過程中，根據鍵合工藝的進行，對鍵合壓力和鍵合溫度進行實時控制。
更進一步地，該施壓裝置包括對稱結構的上壓盤和下壓盤。
更進一步地，該上壓盤從下自上依次包括壓力盤、加熱盤、冷卻盤和隔熱盤，該下壓盤由上自下依次包括壓力盤、加熱盤、冷卻盤和隔熱盤。
更進一步地，該加熱盤內部包括一冷卻流道，通過一冷卻單元控制冷卻介質流經該冷卻流道。
更進一步地，該上壓盤通過一波紋管與鍵合腔連接。
更進一步地，該鍵合裝置還包括一壓力補償裝置，用於保持所述上壓盤的壓力盤的位置，使其不受該波紋管和鍵合腔內部壓差的影響。
更進一步地，該壓力盤包括溫度均化層和面型補償層。
更進一步地，該溫度均化層由SiC製成，該面型補償層由石墨製成。
更進一步地，該冷卻介質為空氣或冷卻液，當該冷卻流道中不包含冷卻介質時為真空。
更進一步地，該鍵合裝置還包括一氣壓控制單元，用於對該波紋管內部壓力進行反饋控制。
與現有技術相比較，本發明所提供的技術方案，能最小化抽真空時非對稱氣流擾動對鍵合片位置的影響，消除提高鍵合腔抽真空速度的障礙，縮短抽真空所需時間，提高鍵合工藝的總體效率；同時，保證了氣體由鍵合腔中心向外流動，降低了氣流單側流動時對晶圓造成二次顆粒汙染的風險。
相對於從底部單邊加熱、或從底部單邊冷卻的結構，對稱的加熱和冷卻結構，本發明所提供的技術方案可以從上、下兩面均勻的對鍵合片進行溫度控制，消除了單邊進行溫度控制時熱傳導過程帶來的在上、下兩張鍵合片間的溫度梯度，因此提高了鍵合片中的溫度均勻性，可以減少兩層鍵合材料由熱膨脹不匹配帶來的鍵合完成後鍵合片的翹曲；從鍵合片上、下同時進行加熱、冷卻，相對於單邊加熱或冷卻，可以提高對鍵合片加熱和冷卻的速度，有助於提高鍵合效率。
本發明提供了與加熱盤整合為一體，可直接對加熱盤進行冷卻的結構。集成在加熱盤中的冷卻流道可以最大限度的提高冷卻速度。對加熱盤的冷卻是直接進行的，消除了零件之間的接觸熱阻，同時冷卻速度不受鍵合腔內部真空狀態的影響。
本發明所提供的技術方案還能最大程度地減少了結構受力不均勻的情況，最大限度的消除了由此導致的結構形變，從而保證了鍵合壓力均勻性。
附圖說明
關於本發明的優點與精神可以通過以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的了解。
圖1是本發明所涉及的半自動晶圓鍵合裝置的結構示意圖；
圖2是本發明所涉及的對稱布置的真空口的結構示意圖；
圖3是本發明所涉及的對稱式的加熱和冷卻裝置的結構示意圖；
圖4是本發明所涉及的直接冷卻系統的結構示意圖；
圖5是本發明所涉及的半自動晶圓鍵合裝置的使用方法流程圖；
圖6是本發明所涉及的波紋管加壓結構示意圖。
具體實施方式
下面結合附圖詳細說明本發明的具體實施例。
本發明中的半自動鍵合裝置的結構原理如圖 1所示，主要器件包括提供鍵合環境的鍵合腔60；抽真空的真空單元70；提供加熱、冷卻功能的上、下壓盤10、20；施加鍵合壓力的加壓波紋管40，以及上壓盤位置控制及壓力補償結構30等等。晶圓鍵合的主要流程為：將夾持有對準完成晶圓的鍵合夾具放置到鍵合機的鍵合腔內；關閉鍵合腔，並開啟真空單元將鍵合腔內抽成真空狀態（真空度最高至10-4Pa）；將上壓盤下降到接近晶圓的位置，並通過在波紋管內施加氣壓，使上壓盤接觸晶圓；根據特定的鍵合工藝需求，進行加壓（壓力範圍0 - 100kN）、加熱（溫度範圍常溫 - 550℃）、冷卻工藝過程；在鍵合工藝過程完成後，釋放鍵合腔內真空，打開鍵合腔，取出鍵合夾具。
在晶圓鍵合時，由於最終產品或鍵合工藝的需求，通常需在高真空的環境（真空度高於0.1Pa）下進行，因此鍵合流程中的第一步驟通常為對鍵合腔內進行抽真空處理。 鍵合腔內部抽真空的速度越快，正式鍵合晶圓前的準備時間越短，鍵合的總體效率也就隨之提高了。 提高抽真空速度可通過配備抽氣流量更大的真空單元來實現。
在現有的半自動鍵合裝置中，抽真空口均布置在鍵合腔的一邊，在抽真空時，空氣的流動相對鍵合片是不對稱的，非對稱的空氣流動會對鍵合片造成擾動，引起兩張鍵合片的相對位置偏差，真空抽速越大，空氣流速越快，造成的擾動也就越大。為解決抽真空時氣流擾動對鍵合片位置的影響，本技術方案在鍵合腔60中設計了相對於晶圓周向對稱的抽真空口61，參見圖 2。 抽真空時，空氣的流動相對於晶圓對稱，對鍵合片的擾動最小化。 消除了提高鍵合腔抽真空速度的障礙。同時，對稱的抽真空口布置保證了抽真空時，氣體80流向從鍵合腔中心向外，消除了單側氣流可能帶來的對晶圓的顆粒汙染的風險。
鍵合機中的上壓盤10和下壓盤20的結構相對於鍵合片62是對稱的，從功能上均包括了壓力盤14、加熱盤13、冷流道12及隔熱盤11，參見圖 3。 各層結構均為上下對稱，材質和厚度均相同。相對於從底部單邊加熱、或從底部單邊冷卻的結構，對稱的加熱和冷卻結構，可以從上、下兩面均勻的對鍵合片進行溫度控制，消除了單邊進行溫度控制時熱傳導過程帶來的在上、下兩張鍵合片間的溫度梯度，因此提高了鍵合片中的溫度均勻性，可以減少由熱膨脹不匹配帶來的鍵合完成後鍵合片的翹曲。從鍵合片上、下同時進行加熱、冷卻的設計，相對於單邊加熱或冷卻，提高了對鍵合片加熱和冷卻的速度。
壓力盤14採用多層結構，包括溫度均化層、面型補償層。可以根據不同的需求，選擇不同的材料，提高壓力盤的整體性能。直接接觸鍵合片的壓力盤14的溫度均化層，使用熱穩定性高，熱傳導係數高的材料，例如SiC，高的熱傳導係數可以有效的均化加熱盤13、冷流道12中的溫度不均勻性，保證了鍵合片的溫度均勻性。面型補償層採用柔性材料，例如石墨，用以補償面型的微小誤差，保證壓力傳遞的均勻性；隔熱盤用於隔絕熱量向鍵合腔外部傳遞，減少漏熱，提高加熱、冷卻的效率。
現有的鍵合裝置中的冷卻結構設計通常為：在需要冷卻時，使用冷卻氣體對鍵合片或加熱盤進行冷卻； 在需要冷卻時，使用一個冷盤接觸加熱盤進行冷卻。 使用氣體進行冷卻，冷卻速度慢，同時需要破壞鍵合腔內部的真空；使用冷盤接觸加熱盤冷卻，由於冷盤和加熱盤之間的接觸熱阻，冷卻速度無法充分發揮，在真空的環境下冷卻速度會更慢。本發明中的鍵合裝置中的冷卻結構設計採用了集成在加熱盤中的冷卻流道12的方式，集成在加熱盤13中的冷卻流道12可以最大限度的提高冷卻速度。對加熱盤13的冷卻是直接進行的，消除了零件之間的接觸熱阻，冷卻速度不受鍵合腔內部真空狀態的影響，可實現高於15℃/min的冷卻速度。
同時採用一個冷卻單元90控制冷卻流道中的介質91，可根據鍵合過程的需求在真空、空氣、冷卻液之間切換，參見圖4。冷卻單元提供三種工作模式：將冷卻流道中抽成真空狀態，限制加熱盤通過冷卻介質的漏熱，消除在加熱工況下冷卻結構對加熱速度的影響； 在冷卻流道中通入空氣，通過空氣冷卻加熱盤，作為冷卻速度較低的一種工作模式； 在冷卻流道中通入液體冷卻介質，可以快速冷卻加熱盤，特別在加熱盤溫度高於冷卻介質的沸點的情況下，冷卻介質可通過相變冷卻加熱盤，冷卻速度更高。 在上述三種工作模式外，冷卻單元還可以控制在冷卻流道中介質的流動速度，進而控制冷卻速度，提供了更高的工藝靈活性。直接冷卻系統可在不影響加熱速度的情況下，提供快速冷卻的能力，縮短鍵合工藝時間，有效的提升了鍵合效率。
典型的加熱冷卻流程參見圖5。501：初始狀態為冷卻流道中為真空。502：加熱盤通電，以最大升溫速率加熱，此時由於冷卻流道中沒有介質，不吸收熱量，所以不會對升溫速率造成影響。503：在升溫到指定溫度後，通過反饋控制對加熱盤進行溫控，保持恆定溫度一段時間，完成所需的加熱工藝過程。504：在冷卻階段，向冷卻流道中通入液體冷卻劑，以最大降溫速率冷卻；若冷卻劑的沸點溫度低於加熱盤的當前溫度，冷卻劑會處於相變冷卻的狀態，冷卻速率可以最大化。505：在冷卻階段中，可通過調節冷卻劑的流量，控制降溫的速度。506：冷卻階段結束後，向冷卻流道中通入加壓氣體，將液體冷卻劑從流道中全部排出並回收。507：最後將冷卻流道內的氣體抽出，將冷卻流道置於真空狀態，為下一次加熱做準備。
本發明中的鍵合裝置通過波紋管對壓力盤均勻施加氣壓，並通過壓力盤將壓力傳遞到鍵合片62上，參見圖 6。在鍵合過程中，施加壓力的結構件，包括支撐鍵合片的結構件50的變形，均會對鍵合片受到的壓力均勻性造成影響。為減小加壓結構的變形，我們採用了在鍵合片下方使用全鍵合面剛性的固定結構支撐，同時在鍵合片上方使用波紋管40對鍵合面均勻施加氣壓的設計，最大程度的減少了結構受力不均勻的情況，最大限度的消除了由此導致的結構形變，從而保證了鍵合壓力均勻性。
使用波紋管進行加壓時，施加在鍵合片上的壓力會受到鍵合腔內部壓力變化的影響，實際施加的壓力是波紋管和鍵合腔內部的壓力差。因此需要通過一個壓力補償裝置30，對鍵合腔內部壓力的變化進行補償。加壓機構的工作流程為：通過壓盤位置控制機構將壓盤快速移動到接近鍵合片；在鍵合腔內部抽真空時，壓力補償結構保持壓盤的位置，使其不受波紋管和鍵合腔內部壓差的影響；通過氣壓控制單元對波紋管內部施加壓力，使波紋管擴張從而使壓盤接觸鍵合片，開始施加鍵合壓力；通過測量波紋管40內部和鍵合腔60內部的壓力，結合壓力補償機構30，氣壓控制單元100對波紋管內部壓力進行反饋控制，使鍵合壓力符合鍵合工藝的需求。使用波紋管40在全晶圓面上施加壓力，可以有效的提高壓力均勻性，結合鍵合腔內部壓力補償結構，能夠穩定的進行加壓動作，並提供更穩定的鍵合壓力。
與現有技術相比較，本發明所提供的技術方案，能最小化抽真空時非對稱氣流擾動對鍵合片位置的影響，消除提高鍵合腔抽真空速度的障礙，縮短抽真空所需時間，提高鍵合工藝的總體效率；同時，保證了氣體由鍵合腔中心向外流動，降低了氣流單側流動時對晶圓造成二次顆粒汙染的風險。
相對於從底部單邊加熱、或從底部單邊冷卻的結構，對稱的加熱和冷卻結構，本發明所提供的技術方案可以從上、下兩面均勻的對鍵合片進行溫度控制，消除了單邊進行溫度控制時熱傳導過程帶來的在上、下兩張鍵合片間的溫度梯度，因此提高了鍵合片中的溫度均勻性，可以減少兩層鍵合材料由熱膨脹不匹配帶來的鍵合完成後鍵合片的翹曲；從鍵合片上、下同時進行加熱、冷卻，相對於單邊加熱或冷卻，可以提高對鍵合片加熱和冷卻的速度，有助於提高鍵合效率。
本發明提供了與加熱盤整合為一體，可直接對加熱盤進行冷卻的結構。集成在加熱盤中的冷卻流道可以最大限度的提高冷卻速度。對加熱盤的冷卻是直接進行的，消除了零件之間的接觸熱阻，同時冷卻速度不受鍵合腔內部真空狀態的影響。
本發明所提供的技術方案還能最大程度地減少了結構受力不均勻的情況，最大限度的消除了由此導致的結構形變，從而保證了鍵合壓力均勻性。
本說明書中所述的只是本發明的較佳具體實施例，以上實施例僅用以說明本發明的技術方案而非對本發明的限制。凡本領域技術人員依本發明的構思通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在本發明的範圍之內。