CN102659072B - 一种芯片和晶圆的键合设备 - Google Patents

Abstract

一种芯片和晶圆的键合设备，该键合设备包括晶圆台、存储组件、操作手、显微系统以及控制系统，采用多个自由度的电机模块实现精确定位，通过显微系统对芯片位姿进行识别检测，真空吸附操作手对芯片进行拾取和释放，然后通过集成在操作手后端的压电陶瓷对施加的压力进行测量，从而使芯片操作过程中保证操作精度和施加适当的键合压力；采用两个感应铜柱端面互相接触，防止了真空吸头在重力作用下自然向下倾斜，保证了测量精度，并且通过两感应铜柱感知真空吸头的位置，从而告知控制系统开始检测压电陶瓷输出的电流。

Description

一种芯片和晶圆的键合设备

技术领域

本发明涉及一种芯片与晶圆的键合设备，尤其是涉及一种可适应多种芯片的键合设备。

背景技术

微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems；MEMS)器件与集成电路的不同主要包括两方面，一是含有可动结构，二是要与环境相互作用，这两点给封装带来很大的难度，其封装成本高也主要是由这两点造成的。由于有可动结构，在封装过程中必须保护可动结构不被损坏，因此不能直接采用成熟的集成电路封装工艺。由于要与环境相互作用，因此封装既要考虑到与环境的相互作用，又要保证器件性能不受影响，处理起来难度很大。同时，封装前的预对准也增加了封装难度。目前国内外封装主要采用光刻机下预对准，手工放入封装设备中进行封装的方式，往往造成最终的封装精度和效果不能满足指标要求。这无形中增加了封装成本和难度，而且降低了封装效率。

圆片级封装具有很好的市场化前景，在圆片级封装技术和设备研究的同时，需要认识到我国MEMS产业目前的发展阶段主要处于多品种、高特异性、中小批量产业化并存的发展阶段，很多MEMS器件是在键合后构成新结构的。对于这种器件的封装，圆片键合不能胜任，因为划片时使用的切削液容易进入微结构内，而且难以清除，从而造成微结构的破坏。而采用晶圆片和芯片级封装手段来实现MEMS器件的封装，则可以避免大面积区域的键合，使得一些可动微结构得到保护，因此越来越的人开始关注起芯片和晶圆级的封装工艺。

在芯片和晶圆级的封装工艺中，操作手是芯片的拾取和释放过程中的常用部件，其通常呈悬臂状，例如申请CN201120279898.2中的操作手，而对于悬臂式操作手，由于悬臂自身重力的影响，会使操作手产生向下的偏移，这会导致在拾取和释放芯片时不利于力的控制。有鉴于此，需要提供一种能够克服因操作手自身重力而造成的操作手的向下偏移的操作手装置，从而有效保护芯片与晶圆的键合质量的键合设备。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够克服因操作手自身重力而造成的操作手的向下偏移，从而有效保护芯片与晶圆的键合质量的键合设备。

根据本发明的目的提出的一种芯片和晶圆的键合设备，包括用以固定晶圆的晶圆台、用以放置芯片的存储组件、用以拾取芯片的操作手、显微系统以及控制系统，其中：所述晶圆台具有X-Y向和旋转三个自由度，所述操作手具有X-Y-Z向三个自由度，所述显微系统包括用以检测被操作手拾取后的芯片位姿的第一显微系统和用以检测固定在晶圆台上的晶圆位姿的第二显微系统，所述第一显微系统和所述第二显微系统分别连接于控制系统，所述操作手包括真空吸头、吸头支撑杆、吸头支架、连接架、真空发生器接头、连接导块、压电陶瓷、吸头侧感应铜柱支架、压电陶瓷固定架、压电陶瓷侧感应铜柱、吸头侧感应铜柱、压电陶瓷侧感应铜柱支架和定位片，真空发生器接头连接真空发生器，优选为泵，真空发生器接头和吸头支撑杆连接在吸头支架上，真空发生器接头和真空吸头通过吸头支撑杆连接，吸头支撑杆内有气槽，吸头支架通过螺栓连接到连接架上，连接架与连接导块通过安装在连接架和压电陶瓷固定架底面的定位片与压电陶瓷固定架相连，压电陶瓷放置于压电陶瓷固定架内，其特征在于：吸头侧感应铜柱支架为U形结构，吸头侧感应铜柱支架的一侧与连接架相连，固定整个吸头侧感应铜柱支架，吸头侧感应铜柱通过吸头侧感应铜柱支架另一侧上的孔安装在吸头侧感应铜柱支架上，固定吸头侧感应铜柱；压电陶瓷侧感应铜柱支架为直角状，所述压电陶瓷侧感应铜柱支架通过其一个面安装在压电陶瓷固定架上，压电陶瓷侧感应铜柱通过压电陶瓷侧感应铜柱支架另一个面上的孔安装在压电陶瓷侧感应铜柱支架上，吸头侧感应铜柱与压电陶瓷侧感应铜柱端面互相接触。

其中，所述晶圆台上设有对键合过程进行加热的加热设备。

其中，所述晶圆台的底部设有旋转电机、晶圆台X向电机和晶圆台Y向电机，所述旋转电机、晶圆台X向电机和晶圆台Y向电机分别连接于控制系统。

其中，所述操作手的尾部设有操作手X向电机、操作手Y向电机以及操作手Z向电机，所述操作手X向电机、操作手Y向电机以及操作手Z向电机分别连接于控制系统。

其中，所述第一显微系统连接一调节焦距的Z向电机。

其中，所述第二显微系统连接一调节焦距的Z向电机。

综上所述，本发明提供的芯片和晶圆的键合设备，具有如下有益效果：

采用多个自由度的电机模块实现精确定位，显微系统对芯片位姿进行识别检测，为了保证晶圆上需键合的结构图形与芯片图形的对准，通过两套显微系统进行配合，分别对晶圆上图形和芯片上图形进行自动识别和检测，并根据检测结果进行自动调整；晶圆台可以实现自动温度控制，根据不同的键合温度要求进行调节，以适应不同的键合芯片。

通过真空吸附的方法对芯片进行拾取和释放，然后通过集成在操作手后端的压电陶瓷对施加的压力进行测量，从而使芯片操作过程中保证操作精度和施加适当的键合压力；采用两个感应铜柱端面互相接触，防止了真空吸头在重力作用下自然向下倾斜，保证了测量精度，并且通过两感应铜柱感知真空吸头的位置，获得操作手前端的控制力。

附图说明

图1是本发明的芯片和晶圆键合设备的结构图；

图2是本发明的键合设备的操作手结构的第一视图。

图3是本发明的键合设备的操作手结构的第二视图。

图4是本发明的键合设备的操作手结构的第三视图。

具体实施方式

下面，将结合附图对本发明的具体实施方式做详细说明。

图1是本发明的芯片和晶圆键合设备的结构图。如图1所示，该键合设备安装在底板14上，包括晶圆台6、存储组件13、操作手4、显微系统以及设置于外部的控制系统(图1中未示出)。所述晶圆台6用以固定一晶圆，同时也是键合时的工作载体，在该晶圆台6上设有加热设备，该加热设备用以在键合过程中把芯片和晶圆加热到键合所需的温度。所述存储组件13用以放置多个芯片，该多个芯片可以是型号相同的芯片，也可以是不同类型的芯片。所述操作手4用以从存储组件13中拾取一芯片，并将该芯片转移到晶圆上进行键合，该操作手4同时可以释放0-1500V的电压，能够保障不同芯片所需要的键合电压。所述显微系统包括第一显微系统15和第二显微系统5。第一显微系统15用以检测被操作手4拾取后的芯片位姿，并向所述控制系统发出芯片位姿图形信号，第二显微系统16用以检测固定在晶圆台上的晶圆位姿，向所述控制系统发出晶圆位姿图形信号。

进一步的，该晶圆台6的底部还设有旋转电机8、晶圆台X向电机9和晶圆台Y向电机11，该三个电机组成了晶圆台6的电机组，使得晶圆台6具 有X-Y向和旋转三个自由度。所述旋转电机8、晶圆台X向电机9和晶圆台Y向电机11分别连接于控制系统，并根据该控制系统发出的指令对晶圆台6进行调节，从而达到控制晶圆位姿的效果。

进一步的，该操作手4的尾部还设有操作手X向电机1、操作手Y向电机2以及操作手Z向电机3，该三个电机组成操作手4的电机组，使得操作手4具有X-Y-Z向三个自由度。所述操作手X向电机1、操作手Y向电机2以及操作手Z向电机3分别连接于控制系统，并根据该控制系统发出的指令移动该操作手4，从而实现拾取和转移芯片的效果。

进一步的，该第一显微系统15连接一Z向电机12，该Z向电机12连接控制系统，并在该控制系统的控制下带动第一显微系统15在Z向上运动，实现对该第一显微系统15的自动调焦。

进一步的，该第二显微系统5通过支柱7连接一Z向电机10，该Z向电机10连接控制系统，并在该控制系统的控制下带动第二显微系统5在Z向上运动，实现对该第二显微系统5的自动调焦。

运用本发明的芯片和晶圆的键合设备进行键合的方法如下：

操作手4在电机组的驱动下，移动到存储组件13的上方，并选择一块芯片进行拾取动作，拾取芯片后移动到第一显微系统15上，此处的第一显微系统15可以设置在异于存储组件13的地方，也可以设置在存储组件13下方。当设置在存储组件13下方时，需要在存储组件的界面上设置可供第一显微系统15观测的通孔。

当操作手4携带芯片来到第一显微系统15的观测区域后，第一显微系统15在Z向电机12的驱动下进行自动调焦，直到输出给控制系统一个清晰的芯片位姿图形信号。此处的芯片位姿可以是整个芯片的位姿，也可以是芯片中某一特定符号的位姿，该特定符号与晶圆对应位置的另一特定符号形成键合所需的对位标记。

此时第二显微系统5对晶圆上需要键合的区域进行位姿检测，同样通过Z向电机10的自动调节后输出给控制系统一个清晰的晶圆位姿图形信号。此处的晶圆位姿可以是整个晶圆的位姿，也可以是与芯片上特定符号对应的另一特定符号的位姿。

控制系统接收到来自两个显微系统的图形信号后，开始比对和分析两个图形信号之间是否满足键合的同步需要，并向操作手4或者晶圆台6中的一个或两个发出同步调节信号，操作手4或晶圆台6接收到该同步调节信号后对芯片或晶圆的位姿进行调节，使两者能够互相匹配，实现高精度对位。

完成对位后，操作手4将芯片转移到晶圆对应的键合区位置，开始实施键合操作。此处需要指出的是，对于操作手4和晶圆台6之间的位移可以按照预先设定好的线路进行，不需要考虑操作手4因移动而带来的对位误差。

在进行键合操作时，操作手4对芯片和晶圆施加一个键合电压，同时，晶圆台开始对晶圆和芯片加热，直到达到键合所需要的温度。

图2-4是本发明的键合设备的操作手4结构示意图。如图2-4所示，操作手包括真空吸头4-1、吸头支撑杆4-2、吸头支架4-3、连接架4-4、真空发生器接头4-5、连接导块4-6、压电陶瓷4-7、吸头侧感应铜柱支架4-8、压电陶瓷固定架4-9、压电陶瓷侧感应铜柱4-10、吸头侧感应铜柱4-11、压电陶瓷侧感应铜柱支架4-12和定位片4-13；

其中，真空发生器接头4-5连接真空发生器（图中未示出），真空发生器优选为泵，真空发生器接头4-5和吸头支撑杆4-2连接在吸头支架4-3上，真空发生器接头4-5和真空吸头4-1通过吸头支撑杆4-2连接，吸头支撑杆4-2内有气槽，真空吸头4-1通过真空发生器提供的真空吸力，将芯片拾取和释放。

吸头支架4-3通过螺栓连接到连接架4-4上，连接架4-4与连接导块4-6通过安装在连接架4-4和压电陶瓷固定架4-9底面的定位片4-13与压电陶瓷固定架4-9相连，压电陶瓷4-7放置于压电陶瓷固定架4-9内；

吸头侧感应铜柱支架4-8为U形结构，吸头侧感应铜柱支架4-8的一侧与连接架4-4相连，固定整个吸头侧感应铜柱支架4-8，吸头侧感应铜柱4-11通过吸头侧感应铜柱支架4-8另一侧上的孔安装在吸头侧感应铜柱支架4-8上，固定吸头侧感应铜柱4-11；压电陶瓷侧感应铜柱支架4-12为直角状，所述压电陶瓷侧感应铜柱支架4-12通过其一个面安装在压电陶瓷固定架4-9上，压电陶瓷侧感应铜柱4-10通过压电陶瓷侧感应铜柱支架4-12另一个面上的孔安装在压电陶瓷侧感应铜柱支架4-12上，吸头侧感应铜柱11与压电陶瓷侧感应铜柱4-10端面互相接触，使得真空吸头不能向下倾斜。

当真空吸头4-1吸取芯片并放置在准确位置后，由于真空吸头4-1对芯片有向下压力，致使真空吸头4-1向上并带动整个连接架4-4与连接导块4-6压紧压电陶瓷4-7，由于压电陶瓷本身固有的压电特性，将产生一微小电流，通过放大电路，将压电陶瓷产生的电流放大并进行采集，根据压电陶瓷的特性得到真空吸头4-1对芯片所施加的压力。

吸头侧感应铜柱4-10与压电陶瓷侧感应铜柱4-11除了具有防止真空吸头向下倾斜的作用外，还能够通过检测两感应铜柱接触或分离状态，感知真空吸头4-1的位置，从而告知控制系统开始检测压电陶瓷输出的电流，获得操作手前端的控制力，其具体通过以下方式实现：

定位片4-13连接连接架4-4、连接导块4-6与压电陶瓷固定架4-9，当压电陶瓷固定架4-9移动时，从而带动真空吸头4-1运动，由于定位片4-13较薄，柔性较好，因此真空吸头4-1连同吸头支撑杆4-2、吸头支架4-3、连接架4-4、真空发生器接头4-5、连接导块4-6、吸头侧感应铜柱支架4-8能够以定位片4-3为轴线上下旋转。固定在吸头侧感应铜柱支架4-8上的吸头侧感应铜柱4-11连同固定在吸头侧感应铜柱支架4-8一起转动；

当真空吸头4-1、吸头支撑杆4-2、吸头支架4-3、连接架4-4在重力作用下，以定位片4-13转动时，固定在压电陶瓷侧感应铜柱支架4-12上的压电陶瓷感应铜柱4-10与吸头侧感应铜柱4-11互相接触，阻止其进一步向下转动，使其保持水平位置；

将压电陶瓷侧感应铜柱4-10与吸头侧感应铜柱4-11分别连接直流电流的正负极，并与控制系统相连，当真空吸头4-1未对芯片施加压力时，在重力作用下，压电陶瓷侧感应铜柱4-10与吸头侧感应铜柱4-11互相接触，电流接通，控制系统检测到真空吸头4-1未对芯片施加压力。当真空吸头4-1对芯片施加向下的压力后，由于力的相互作用，芯片对真空吸头4-1产生个向上的力，使得真空吸头4-1、连接架4-4、吸头侧感应铜柱支架4-8连同吸头侧感应铜柱4-11一同绕定位片4-13旋转，吸头侧感应铜柱4-11与压电陶瓷侧感应铜柱4-10分离，连接直流电流的正负极断开，控制系统检测到真空吸头4-1对芯片开始施加压力，同时控制系统控制压电陶瓷检测电路开始检测，得出真空吸头4-1对芯片施加的压力大小。

Claims (6)

1.一种芯片和晶圆的键合设备，包括用以固定晶圆的晶圆台(6)、用以放置芯片的存储组件(13)、用以拾取芯片的操作手(4)、显微系统以及控制系统，所述晶圆台(6)具有X-Y向和旋转三个自由度，所述操作手(4)具有X-Y-Z向三个自由度，所述显微系统包括用以检测被操作手拾取后的芯片位姿的第一显微系统(15)和用以检测固定在晶圆台上的晶圆位姿的第二显微系统(5)，所述第一显微系统(15)和所述第二显微系统(5)分别连接于控制系统，其特征在于：所述操作手(4)包括真空吸头(4-1)、吸头支撑杆(4-2)、吸头支架(4-3)、连接架(4-4)、真空发生器接头(4-5)、连接导块(4-6)、压电陶瓷(4-7)、吸头侧感应铜柱支架(4-8)、压电陶瓷固定架(4-9)、压电陶瓷侧感应铜柱(4-10)、吸头侧感应铜柱(4-11)、压电陶瓷侧感应铜柱支架（4-12）和定位片(4-13)，真空发生器接头(4-5)连接真空发生器，真空发生器接头(4-5)和吸头支撑杆(4-2)连接在吸头支架(4-3)上，真空发生器接头(4-5)和真空吸头(4-1)通过吸头支撑杆(4-2)连接，吸头支撑杆(4-2)内有气槽，吸头支架(4-3)通过螺栓连接到连接架(4-4)上，连接架(4-4)与连接导块(4-6)通过安装在连接架(4-4)和压电陶瓷固定架(4-9)底面的定位片(4-13)与压电陶瓷固定架(4-9)相连，压电陶瓷(4-7)放置于压电陶瓷固定架(4-9)内，吸头侧感应铜柱支架(4-8)为U形结构，吸头侧感应铜柱支架(4-8)的一侧与连接架(4-4)相连，固定整个吸头侧感应铜柱支架(4-8)，吸头侧感应铜柱(4-11)通过吸头侧感应铜柱支架(4-8)另一侧上的孔安装在吸头侧感应铜柱支架(4-8)上，固定吸头侧感应铜柱(4-11)；压电陶瓷侧感应铜柱支架(4-12)为直角状，所述压电陶瓷侧感应铜柱支架(4-12)通过其一个面安装在压电陶瓷固定架(4-9)上，压电陶瓷侧感应铜柱(4-10)通过压电陶瓷侧感应铜柱支架(4-12)另一个面上的孔安装在压电陶瓷侧感应铜柱支架(4-12)上，吸头侧感应铜柱(4-11)与压电陶瓷侧感应铜柱(4-10)端面互相接触。

2.根据权利要求1所述的芯片和晶圆键合设备，其特征是：所述晶圆台(6)上设有对键合过程进行加热的加热设备。

3.根据权利要求1所述的芯片和晶圆键合设备，其特征是：所述晶圆台(6)的底部设有旋转电机(8)、晶圆台X向电机(9)和晶圆台Y向电机(11)，所述旋转电机(8)、晶圆台X向电机(9)和晶圆台Y向电机(11)分别连接于控制系统。

4.根据权利要求1所述的芯片和晶圆键合设备，其特征是：所述操作手(4)的尾部设有操作手X向电机(1)、操作手Y向电机(2)以及操作手Z向电机(3)，所述操作手X向电机(1)、操作手Y向电机(2)以及操作手Z向电机(3)分别连接于控制系统。

5.根据权利要求1所述的芯片和晶圆键合设备，其特征是：所述第一显微系统(15)连接一调节焦距的Z向电机(12)。

6.根据权利要求1所述的芯片和晶圆键合设备，其特征是：所述第二显微系统(5)连接一调节焦距的Z向电机(10)。