本發(fā)明涉及一種集成電路裝備制造領(lǐng)域，尤其涉及一種半自動晶圓鍵合裝置。

背景技術(shù)：

晶圓鍵合技術(shù)可以將不同材料的晶圓結(jié)合在一起，晶圓鍵合是半導(dǎo)體器件三維加工的一個(gè)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(zhǔn)，以及最終的晶圓鍵合。 通過這些工藝步驟，獨(dú)立的單張晶圓被對準(zhǔn)，然后鍵合在一起，實(shí)現(xiàn)其三維結(jié)構(gòu)。 鍵合不僅是微系統(tǒng)技術(shù)中的封裝技術(shù)，而且也是三維器件制造中的一個(gè)有機(jī)的組成部分，在器件制造的前道工藝和后道工藝中均有應(yīng)用。 現(xiàn)有的最主要的鍵合應(yīng)用為硅片和硅片的鍵合以及硅片和玻璃襯底的鍵合。

隨著晶圓鍵合技術(shù)在微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）制造、微光電系統(tǒng)，特別是CMOS圖像傳感器（CIS）制造、以及新興的三維芯片制造技術(shù)，如硅穿孔（TSV）技術(shù)中的廣泛應(yīng)用，鍵合技術(shù)對晶圓鍵合設(shè)備的性能不斷提出更高的要求，此外，不斷擴(kuò)大的生產(chǎn)規(guī)模也對進(jìn)一步降低晶圓鍵合系統(tǒng)的設(shè)備擁有成本（COO）提出了更多挑戰(zhàn)。

現(xiàn)有技術(shù)中的半自動鍵合裝置的主要器件包括提供鍵合環(huán)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(zhǔn)完成晶圓的鍵合夾具放置到鍵合機(jī)的鍵合腔內(nèi)；關(guān)閉鍵合腔，并開啟真空單元將鍵合腔內(nèi)抽成真空狀態(tài)；根據(jù)特定的鍵合工藝需求，進(jìn)行加壓、加熱、冷卻工藝過程；在鍵合工藝過程完成后，釋放鍵合腔內(nèi)真空，打開鍵合腔，取出鍵合夾具。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明提供一種有利于提高鍵合質(zhì)量和效率的優(yōu)化的半自動晶圓鍵合裝置。

為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)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于該晶圓周向的抽真空口，用于減少并消除抽真空時(shí)的非對稱氣流擾動；一真空單元，用于排出該鍵合腔的空氣，使該鍵合腔內(nèi)部呈真空狀態(tài)；一鍵合夾具，用于夾持該晶圓；一施壓裝置，用于提供該晶圓鍵合時(shí)的鍵合溫度和鍵合壓力，并在鍵合過程中，根據(jù)鍵合工藝的進(jìn)行，對鍵合壓力和鍵合溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。

更進(jìn)一步地，該施壓裝置包括對稱結(jié)構(gòu)的上壓盤和下壓盤。

更進(jìn)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(jìn)一步地，該加熱盤內(nèi)部包括一冷卻流道，通過一冷卻單元控制冷卻介質(zhì)流經(jīng)該冷卻流道。

更進(jìn)一步地，該上壓盤通過一波紋管與鍵合腔連接。

更進(jìn)一步地，該鍵合裝置還包括一壓力補(bǔ)償裝置，用于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(nèi)部壓差的影響。

更進(jìn)一步地，該壓力盤包括溫度均化層和面型補(bǔ)償層。

更進(jìn)一步地，該溫度均化層由SiC制成，該面型補(bǔ)償層由石墨制成。

更進(jìn)一步地，該冷卻介質(zhì)為空氣或冷卻液，當(dāng)該冷卻流道中不包含冷卻介質(zhì)時(shí)為真空。

更進(jìn)一步地，該鍵合裝置還包括一氣壓控制單元，用于對該波紋管內(nèi)部壓力進(jìn)行反饋控制。

與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案，能最小化抽真空時(shí)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(shí)間，提高鍵合工藝的總體效率；同時(shí)，保證了氣體由鍵合腔中心向外流動，降低了氣流單側(cè)流動時(shí)對晶圓造成二次顆粒污染的風(fēng)險(xiǎn)。

相對于從底部單邊加熱、或從底部單邊冷卻的結(jié)構(gòu)，對稱的加熱和冷卻結(jié)構(gòu)，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案可以從上、下兩面均勻的對鍵合片進(jìn)行溫度控制，消除了單邊進(jìn)行溫度控制時(shí)熱傳導(dǎo)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后鍵合片的翹曲；從鍵合片上、下同時(shí)進(jìn)行加熱、冷卻，相對于單邊加熱或冷卻，可以提高對鍵合片加熱和冷卻的速度，有助于提高鍵合效率。

本發(fā)明提供了與加熱盤整合為一體，可直接對加熱盤進(jìn)行冷卻的結(jié)構(gòu)。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(jìn)行的，消除了零件之間的接觸熱阻，同時(shí)冷卻速度不受鍵合腔內(nèi)部真空狀態(tài)的影響。

本發(fā)明所提供的技術(shù)方案還能最大程度地減少了結(jié)構(gòu)受力不均勻的情況，最大限度的消除了由此導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)形變，從而保證了鍵合壓力均勻性。

附圖說明

關(guān)于本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)與精神可以通過以下的發(fā)明詳述及所附圖式得到進(jìn)一步的了解。

圖1是本發(fā)明所涉及的半自動晶圓鍵合裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明所涉及的對稱布置的真空口的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是本發(fā)明所涉及的對稱式的加熱和冷卻裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明所涉及的直接冷卻系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5是本發(fā)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(fā)明所涉及的波紋管加壓結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實(shí)施例。

本發(fā)明中的半自動鍵合裝置的結(jié)構(gòu)原理如圖 1所示，主要器件包括提供鍵合環(huán)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(bǔ)償結(jié)構(gòu)30等等。晶圓鍵合的主要流程為：將夾持有對準(zhǔn)完成晶圓的鍵合夾具放置到鍵合機(jī)的鍵合腔內(nèi)；關(guān)閉鍵合腔，并開啟真空單元將鍵合腔內(nèi)抽成真空狀態(tài)（真空度最高至10-4Pa）；將上壓盤下降到接近晶圓的位置，并通過在波紋管內(nèi)施加氣壓，使上壓盤接觸晶圓；根據(jù)特定的鍵合工藝需求，進(jìn)行加壓（壓力范圍0 - 100kN）、加熱（溫度范圍常溫 - 550℃）、冷卻工藝過程；在鍵合工藝過程完成后，釋放鍵合腔內(nèi)真空，打開鍵合腔，取出鍵合夾具。

在晶圓鍵合時(shí)，由于最終產(chǎn)品或鍵合工藝的需求，通常需在高真空的環(huán)境（真空度高于0.1Pa）下進(jìn)行，因此鍵合流程中的第一步驟通常為對鍵合腔內(nèi)進(jìn)行抽真空處理。 鍵合腔內(nèi)部抽真空的速度越快，正式鍵合晶圓前的準(zhǔn)備時(shí)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(shí)現(xiàn)。

在現(xiàn)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(shí)，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(shí)氣流擾動對鍵合片位置的影響，本技術(shù)方案在鍵合腔60中設(shè)計(jì)了相對于晶圓周向?qū)ΨQ的抽真空口61，參見圖 2。 抽真空時(shí)，空氣的流動相對于晶圓對稱，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(shí)，對稱的抽真空口布置保證了抽真空時(shí)，氣體80流向從鍵合腔中心向外，消除了單側(cè)氣流可能帶來的對晶圓的顆粒污染的風(fēng)險(xiǎn)。

鍵合機(jī)中的上壓盤10和下壓盤20的結(jié)構(gòu)相對于鍵合片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(jié)構(gòu)均為上下對稱，材質(zhì)和厚度均相同。相對于從底部單邊加熱、或從底部單邊冷卻的結(jié)構(gòu)，對稱的加熱和冷卻結(jié)構(gòu)，可以從上、下兩面均勻的對鍵合片進(jìn)行溫度控制，消除了單邊進(jìn)行溫度控制時(shí)熱傳導(dǎo)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后鍵合片的翹曲。從鍵合片上、下同時(shí)進(jìn)行加熱、冷卻的設(shè)計(jì)，相對于單邊加熱或冷卻，提高了對鍵合片加熱和冷卻的速度。

壓力盤14采用多層結(jié)構(gòu)，包括溫度均化層、面型補(bǔ)償層?？梢愿鶕?jù)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(wěn)定性高，熱傳導(dǎo)系數(shù)高的材料，例如SiC，高的熱傳導(dǎo)系數(shù)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(bǔ)償層采用柔性材料，例如石墨，用以補(bǔ)償面型的微小誤差，保證壓力傳遞的均勻性；隔熱盤用于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(xiàn)有的鍵合裝置中的冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常為：在需要冷卻時(shí)，使用冷卻氣體對鍵合片或加熱盤進(jìn)行冷卻； 在需要冷卻時(shí)，使用一個(gè)冷盤接觸加熱盤進(jìn)行冷卻。 使用氣體進(jìn)行冷卻，冷卻速度慢，同時(shí)需要破壞鍵合腔內(nèi)部的真空；使用冷盤接觸加熱盤冷卻，由于冷盤和加熱盤之間的接觸熱阻，冷卻速度無法充分發(fā)揮，在真空的環(huán)境下冷卻速度會更慢。本發(fā)明中的鍵合裝置中的冷卻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采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(jìn)行的，消除了零件之間的接觸熱阻，冷卻速度不受鍵合腔內(nèi)部真空狀態(tài)的影響，可實(shí)現(xiàn)高于15℃/min的冷卻速度。

同時(shí)采用一個(gè)冷卻單元90控制冷卻流道中的介質(zhì)91，可根據(jù)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(tài)，限制加熱盤通過冷卻介質(zhì)的漏熱，消除在加熱工況下冷卻結(jié)構(gòu)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(zhì)，可以快速冷卻加熱盤，特別在加熱盤溫度高于冷卻介質(zhì)的沸點(diǎn)的情況下，冷卻介質(zhì)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(zhì)的流動速度，進(jìn)而控制冷卻速度，提供了更高的工藝靈活性。直接冷卻系統(tǒng)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(shí)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(tài)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(shí)由于冷卻流道中沒有介質(zhì)，不吸收熱量，所以不會對升溫速率造成影響。503：在升溫到指定溫度后，通過反饋控制對加熱盤進(jìn)行溫控，保持恒定溫度一段時(shí)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(diǎn)溫度低于加熱盤的當(dāng)前溫度，冷卻劑會處于相變冷卻的狀態(tài)，冷卻速率可以最大化。505：在冷卻階段中，可通過調(diào)節(jié)冷卻劑的流量，控制降溫的速度。506：冷卻階段結(jié)束后，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并回收。507：最后將冷卻流道內(nèi)的氣體抽出，將冷卻流道置于真空狀態(tài)，為下一次加熱做準(zhǔn)備。

本發(fā)明中的鍵合裝置通過波紋管對壓力盤均勻施加氣壓，并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(jié)構(gòu)件，包括支撐鍵合片的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的變形，我們采用了在鍵合片下方使用全鍵合面剛性的固定結(jié)構(gòu)支撐，同時(shí)在鍵合片上方使用波紋管40對鍵合面均勻施加氣壓的設(shè)計(jì)，最大程度的減少了結(jié)構(gòu)受力不均勻的情況，最大限度的消除了由此導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)形變，從而保證了鍵合壓力均勻性。

使用波紋管進(jìn)行加壓時(shí)，施加在鍵合片上的壓力會受到鍵合腔內(nèi)部壓力變化的影響，實(shí)際施加的壓力是波紋管和鍵合腔內(nèi)部的壓力差。因此需要通過一個(gè)壓力補(bǔ)償裝置30，對鍵合腔內(nèi)部壓力的變化進(jìn)行補(bǔ)償。加壓機(jī)構(gòu)的工作流程為：通過壓盤位置控制機(jī)構(gòu)將壓盤快速移動到接近鍵合片；在鍵合腔內(nèi)部抽真空時(shí)，壓力補(bǔ)償結(jié)構(gòu)保持壓盤的位置，使其不受波紋管和鍵合腔內(nèi)部壓差的影響；通過氣壓控制單元對波紋管內(nèi)部施加壓力，使波紋管擴(kuò)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(nèi)部和鍵合腔60內(nèi)部的壓力，結(jié)合壓力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)30，氣壓控制單元100對波紋管內(nèi)部壓力進(jìn)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(jié)合鍵合腔內(nèi)部壓力補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，能夠穩(wěn)定的進(jìn)行加壓動作，并提供更穩(wěn)定的鍵合壓力。

與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案，能最小化抽真空時(shí)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(shí)間，提高鍵合工藝的總體效率；同時(shí)，保證了氣體由鍵合腔中心向外流動，降低了氣流單側(cè)流動時(shí)對晶圓造成二次顆粒污染的風(fēng)險(xiǎn)。

相對于從底部單邊加熱、或從底部單邊冷卻的結(jié)構(gòu)，對稱的加熱和冷卻結(jié)構(gòu)，本發(fā)明所提供的技術(shù)方案可以從上、下兩面均勻的對鍵合片進(jìn)行溫度控制，消除了單邊進(jìn)行溫度控制時(shí)熱傳導(dǎo)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后鍵合片的翹曲；從鍵合片上、下同時(shí)進(jìn)行加熱、冷卻，相對于單邊加熱或冷卻，可以提高對鍵合片加熱和冷卻的速度，有助于提高鍵合效率。

本發(fā)明提供了與加熱盤整合為一體，可直接對加熱盤進(jìn)行冷卻的結(jié)構(gòu)。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(jìn)行的，消除了零件之間的接觸熱阻，同時(shí)冷卻速度不受鍵合腔內(nèi)部真空狀態(tài)的影響。

本發(fā)明所提供的技術(shù)方案還能最大程度地減少了結(jié)構(gòu)受力不均勻的情況，最大限度的消除了由此導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)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(fā)明的較佳具體實(shí)施例，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對本發(fā)明的限制。凡本領(lǐng)域技術(shù)人員依本發(fā)明的構(gòu)思通過邏輯分析、推理或者有限的實(shí)驗(yàn)可以得到的技術(shù)方案，皆應(yīng)在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。