CN103489805A - 晶圆键合系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种晶圆键合系统，其包括：内部为真空键合腔；位于键合腔内的压头构件，该压头构件包括相互平行的第一压头与第二压头；柔性构件，柔性构件包括与键合腔隔离的气体收容腔，气体收容腔包括入气端以及出气端，第一压头仅固定于出气端以密封出气端；充压构件，该充压构件连接柔性构件的入气端以调整气体收容腔内压强。该晶圆键合系统通过在柔性构件的气体收容腔出气端覆盖第一压头，并对气体收容腔进行充气增加其内部压强，从而对覆盖于出气端的第一压头提供均匀的驱动压力，能够保证第一压头与第二压头之间的平行度，使得第一压头对晶圆所提供的键合压力更平稳，提高了晶圆键合的精度与质量。

Description

晶圆键合系统

技术领域

本发明涉及晶圆键合领域，尤其涉及一种自适应晶圆键合系统。

背景技术

键合技术是使两个固体接触的足够紧密，使得它们能够牢固地结合在一起，固体自身原子、分子之间的内聚力以及两个固体之间分子、原子之间的结合力是所有键合技术的基本，当前，键合技术已经成为微电子、光电子器件制作的重要手段，是微电子领域的重要研究方向。

晶圆键合技术需要专用的晶圆键合系统来实现，现有的晶圆键合系统都采用高刚性的压力传输机构结合刚性上、下压头实现压力传输的稳定均匀，现有的晶圆键合系统经过长时间的使用后，上、下压头之间的平行度会发生变化，而且在不同温度以及压力环境下，上、下压头的形变也随之不同，然而现有的晶圆键合系统无法对上、下压头之间的平行度进行及时的修正，同时上、下压头平行度降低配合待键合材料平行度、超薄材料脆性及异质材料应力匹配等非理想因素，极易造成待键合材料因内应力不均匀而被刚性压力场所压碎。

因此，有必要提出一种新的晶圆键合系统以解决上述问题。

发明内容

本发明提供了一种自适应调整上、下压头平行度的晶圆键合系统。

为达到上述发明目的，本发明提供了一种晶圆键合系统，其包括：

键合腔，所述键合腔内为真空；

压头构件，所述压头构件位于所述键合腔内，所述压头构件包括相互平行的第一压头与第二压头；

柔性构件，所述柔性构件包括与所述键合腔隔离的气体收容腔，所述气体收容腔包括入气端以及出气端，所述第一压头仅固定于所述出气端以密封所述出气端；

充压构件，所述充压构件连接所述柔性构件的入气端以调整所述气体收容腔内压强。

作为本发明的进一步改进，所述柔性构件沿竖直方向延伸，所述第一压头沿水平方向延伸。

作为本发明的进一步改进，所述柔性构件固定于所述键合腔侧壁。

作为本发明的进一步改进，所述键合腔侧壁设置有第一通孔，所述柔性构件覆盖所述第一通孔，所述第一通孔形成所述柔性构件入气端。

作为本发明的进一步改进，所述柔性构件具有弹性并具有形变极限位置。

作为本发明的进一步改进，所述柔性构件包括波纹管。 

作为本发明的进一步改进，所述充压构件包括充气装置以及排气装置，所述充气装置与排气装置分别对所述气体收容腔进行充气与排气以调控气体收容腔内压强。

作为本发明的进一步改进，所述晶圆键合系统包括连接所述第二压头的传动构件，所述传动构件带动所述第二压头朝向或远离所述第一压头移动。

作为本发明的进一步改进，所述键合腔侧壁包括第二通孔，所述第二压头下方延伸出隔离构件，所述隔离构件覆盖所述第二通孔，所述隔离构件包括与所述键合腔隔离的外接空腔，所述外接空腔与所述第二通孔贯通，所述传动构件穿置于所述外接空腔与所述第二通孔。

作为本发明的进一步改进，所述隔离构件沿竖直方向延伸。

作为本发明的进一步改进，所述隔离构件具有弹性并具有形变极限位置。

作为本发明的进一步改进，所述隔离构件包括波纹管。

作为本发明的进一步改进，所述第一压头与第二压头均包括压板层、及加热层、及隔热层、及散热层、及法兰层。

作为本发明的进一步改进，所述晶圆键合系统包括连接所述第一压头以及第二压头中加热层的加热构件，所述加热构件配合所述加热层加热位于所述第二压头上的晶圆。

作为本发明的进一步改进，所述晶圆键合系统包括连接所述键合腔的温度控制器，以显示和控制所述键合腔内温度。

作为本发明的进一步改进，所述晶圆键合系统包括连接所述压板层的高压构件，所述高压构件对所述压板层供电。

与现有技术相比，本发明所提供的晶圆键合系统，其通过在柔性构件气体收容腔出气端覆盖第一压头，并对气体收容腔进行充气增加其内部压强，从而对覆盖于出气端的第一压头提供均匀的驱动压力，能够保证第一压头与第二压头之间的平行度，使得第一压头对晶圆所提供的键合压力更平稳，提高了晶圆键合的精度与质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的有关本发明的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例中晶圆键合系统的结构示意图；

图2为图1所示的晶圆键合系统中第一压头与第二压头的结构示意图；

图3为图1所示的晶圆键合系统中送片构件的结构示意图；

图4为图1所示的晶圆键合系统中支架构件的结构示意图。

其中，附图标记为：

晶圆键合系统，100；键合腔，101；第一通孔，102；第二通孔，103；支架构件，201；支撑柱，202；底座，203；固定座，204；调节螺母，205；锁紧螺母，206；抽真空构件，301；干泵，302；涡轮分子泵，303；复合真空规，304；预抽阀，305；高阀，306；低阀，307；自适应调整构件，401；柔性构件，402；隔离构件，403；充压构件，501；压头构件，601；第一压头，608；第二压头，609；压板层，607；高压层，606；加热层，605；隔热层，604；散热层，603；法兰层，602；进气构件，701；传动构件，801；传动伺服电机，802；精密丝杆，803；送片构件，901；滚珠丝杆，902；夹具，903；托架904；送片伺服电机，905。

具体实施方式

以下将结合附图所示的各实施例对本发明进行详细描述。但这些实施例并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施例所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

参图1至图4所示，本发明所提供的晶圆键合系统100，通过第一压头608密封柔性构件402中气体收容腔出气端，并对气体收容腔进行充气增加其内部压强，从而对覆盖于出气端的第一压头608提供均匀的驱动压力，即使晶圆键合系统100经过长时间的使用，依然能够保证第一压头608与第二压头609之间的平行度，使得第一压头608对晶圆所提供的键合压力更平稳，提高了晶圆键合的精度与质量。

本实施例中，晶圆键合系统100包括：

键合腔101，所述键合腔101内为真空；

压头构件601，所述压头构件601位于所述键合腔101内，所述压头构件601包括相互平行的第一压头608与第二压头609；

柔性构件402，所述柔性构件402包括与所述键合腔101隔离的气体收容腔，所述气体收容腔包括入气端以及出气端，所述第一压头608仅固定于所述出气端以密封所述出气端；

充压构件501，所述充压构件501连接所述柔性构件402的入气端以调整所述气体收容腔内压强。

具体的，第一压头608与第二压头609均为平整板材，以便于后期均匀挤压位于第二压头609上的晶圆，以提高晶圆键合精度。

特别的，所述柔性构件402固定于所述键合腔101侧壁以简化晶圆键合系统100的制备工艺。

本实施例中，柔性构件402固定于所述键合腔101的上侧壁，特别的，柔性构件402在未被充压构件501充压时，柔性构件402依靠重力自然向下延伸。

进一步的，第一压头608固定于所述柔性构件402下端部的出气端，并密闭柔性构件402的出气端。

特别的，所述出气端为平整端口，所述第一压头608在柔性构件402的作用下始终保持水平。

所述充压构件501对柔性构件402的气体收容腔进行充气，提高柔性构件402的气体收容腔内压强，从而使得柔性构件402朝下延伸并具有特定形状，从而使得第一压头608在水平方向保持稳定，以便于后续对第二压头609上晶圆提供均匀的键合压力。

所述充压构件501可对柔性构件402充压以调整第一压头608所受到的驱动力大小，以适应不同晶圆所需要的不同键合压力。

同时，所述柔性构件402具有弹性并具有形变极限位置，因此所述充压构件501在对柔性构件402的气体收容腔进行充压时，第一压头608随柔性构件402形变而下移特定距离，从而完成对第二压头609上晶圆的均匀挤压。

特别的，所述键合腔101侧壁设置有第一通孔102，所述柔性构件402覆盖所述第一通孔102，所述第一通孔102形成所述柔性构件402入气端。

由于柔性构件402的空气收容腔仅具有入气端与出气端两个开口，从而保证了空气收容腔与键合腔101相互隔离。

本实施例中，柔性构件402包括波纹管，该波纹管的上端为平整，该平整上端覆盖键合腔101上侧壁的第一通孔102，使得第一通孔102形成柔性构件402的入气端；对应的波纹管的出气端同样平整设置，以便于波纹管固定于第一压头608上部，使得第一压头608能够保持水平状态，柔性构件402的空气收容腔与键合腔101之间相互隔离，保证晶圆键合质量。

其中，所述充压构件501包括充气装置以及排气装置，所述充气装置与排气装置分别对所述气体收容腔进行充气与排气以调控气体收容腔内压强。

具体的，所述充气装置与排气装置分离设置，在键合过程中，使用充气装置对气体收容腔进行充压；键合完成后，使用排气装置对气体收容腔进行降压，以结束键合操作。

特别的，充压构件501的充气装置包括连接柔性构件402中气体收容腔入气端的缓冲气瓶、及设置于该缓冲气瓶与入气端之间的电气调压阀，以精确控制柔性构件402气体收容腔内压强。

其中，所述晶圆键合系统100还包括连接所述第二压头609的传动构件801，所述传动构件801带动所述第二压头609朝向或远离所述第一压头608移动。

具体的，所述传动构件801包括精密丝杆803以及连接所述精密丝杆803的传动伺服电机802，该精密丝杆803连接第二压头609并驱动该第二压头609移动至精确位置，以便于后续对第二压头609上的晶圆进行键合。

特别的，第二压头609位于第一压头608的正下方，传动构件801带动该第二压头609沿竖直方向向上移动，以抵达预设位置。

本发明中传动构件801通过精密丝杆803以及传动伺服电机802配合，精确移动第二压头609至特定位置，并且传动构件801能够承担一定压力，保证后续的键合过程中第二压头609能够保持稳定，以提高晶圆键合质量。

对应的，所述键合腔101侧壁包括第二通孔103，所述第二压头609下方延伸出隔离构件403，所述隔离构件403覆盖所述第二通孔103，所述隔离构件403包括与所述键合腔101隔离的外接空腔，所述外接空腔与所述第二通孔103相贯通。

特别的，所述传动构件801穿置于所述外接空腔与所述第二通孔103并延伸至键合腔101外侧，便于对传动构件801供电以及安装。

优选的，所述隔离构件403沿竖直方向延伸，节省隔离构件403的原料，便于精密丝杆803在竖直方向移动，所述传动构件801支撑所述第二压头609以及隔离构件403。

通过设置隔离构件403可以有效隔离键合腔101与外接空腔，确保键合过程中键合腔101始终保持真空状态。

本发明中，柔性构件402与隔离构件403组成自适应调整构件401，该自适应调整构件401可以有效保证键合过程中键合腔101内外隔离。

类似于柔性构件402，所述隔离构件403也具有弹性并具有形变极限位置，因此传动构件801带动第二压头609移动过程中，始终能够密闭键合腔101以保证键合质量。

本实施例中，所述隔离构件403包括波纹管，该波纹管一端固定于第二压头609下端，该波纹管另一端固定于键合腔101的下侧壁，并且波纹管覆盖第二通孔103，从而密闭键合腔101。

其中，压头构件601中，第一压头608与第二压头609均包括压板层607、及加热层605、及隔热层604、及散热层603、及法兰层602。

定义第一压头608与第二压头609靠近晶圆一侧为内侧。

具体的，压板层607位于第一压头608或第二压头609的最内侧并在键合过程中，与晶圆相接触。

第一压头608与第二压头609自内侧向外侧还依次排布有加热层605、及隔热层604、及散热层603、及法兰层602。

具体的，所述柔性构件402连接第一压头608的法兰层602；隔离构件403连接第二压头609的法兰层602。

特别的，若第一压头608与第二压头609为阳极键合压头，则压板层607与加热层605之间还设置有高压层606。

其中，所述晶圆键合系统100包括连接所述第一压头608以及第二压头609中加热层605的加热构件，所述加热构件配合所述加热层605加热位于所述第二压头609上的晶圆，以提高晶圆键合效率。

进一步的，所述晶圆键合系统100包括连接所述键合腔101的温度控制器，以显示和控制所述键合腔101内温度，保证键合腔101内温度适宜晶圆键合需求，从而提高晶圆键合效率。

特别的，所述晶圆键合系统100还包括连接所述压板层607的高压构件，所述高压构件对第一压头608与第二压头609的压板层607供电，所述第一压头608与第二压头609的压板层607电场传递至键合晶圆上，进而提高晶圆键合效率。

本发明的晶圆键合系统100通过前述温度控制器、加热构件、柔性构件402、充压构件501及高压构件共同作用于压头构件601，实现温度、压力和电压几种驱动方式的同时作用和均匀控制，提高了晶圆键合质量。

本发明的晶圆键合系统100还包括支架构件201，该支架构件201连接键合腔101的外侧壁以支撑该键合腔101，确保键合过程中，键合腔101能够保持平稳。

其中，该支架构件201包括支撑柱202，底座203，固定座204，调节螺母205以及锁紧螺母206组成。

具体的，底座203与固定座204平行设置，支撑柱202固定于底座203与固定座204之间，支撑柱202通过调节螺母205以及锁紧螺母206连接固定座204从而保证了支架构件201结构的稳定性，能够消除作用键合腔101的压力，延长晶圆键合系统100的使用寿命。

本发明的晶圆键合系统100还包括抽真空构件301，该抽真空构件301与键合腔101相连，抽真空构件301由干泵302、涡轮分子泵303、预抽阀305、高阀306，低阀307组成，抽真空构件301还包括复合真空规304，复合真空规304实时监控键合腔的真空度，保证键合腔101内真空度符合键合需求。

特别的，晶圆键合系统100还包括配合抽真空构件301的进气构件701，该进气构件701连接键合腔101，并对键合腔101注入惰性气体，配合抽真空构件301排除键合腔101内水汽，以精确控制键合腔101内压强。

进一步的，晶圆键合系统100还包括送片构件901，该送片构件901位于键合腔101外，该送片构件901采用滚珠丝杆902，夹具903，托架904，送片伺服电机905将装有晶圆的夹具903穿过键合腔舱门精确地将夹具903装载到第二压头609上。

通过设置送片构件901，提高了晶圆键合系统100的自动化程度，提高了键合效率，并且大大降低了人力成本。

以下结合具体实施例描述本发明所提供的晶圆键合系统100的键合流程：

首先，为充压构件501、压头构件601中第一压头608以及第二压头609的散热层603以及进气构件701打开气源；

再将清洗好的晶圆放入所述送片构件901的夹具903上，送片伺服电机905结合滚珠丝杠902将装有晶圆的夹具903穿过键合腔101的舱门精确地将夹具903装载到第二压头609上；

关闭键合腔101的舱门，通过传动构件801将第二压头609定位到精确的位置；

通过进气构件701对键合腔101通入惰性气体，进气构件701和抽真空构件301共同将键合腔101内水汽排空；

通过抽真空构件301对键合腔101抽真空，当键合腔101的真空度达到所需级别时，通过充压构件501将柔性构件402内的压强控制范围在0-10atm之间，该压强通过与之相连的第一压头608作用在第二压头609的晶圆上；

自适应调整构件401在施压过程中，根据键合晶圆的表面形貌进行自动调平，使得作用在晶圆表面的压力均匀分布；

通过压头构件601中的两个加热层605对晶圆进行加热，并在温度达到设定值过后，在键合所需时间范围内，保持键合腔101的温度恒定，并且通过温度控制器显示和控制键合腔101的温度；

通过充压构件501中的排气装置将柔性构件402的气体收容腔中气体排出，并恢复到1个标准大气压，通过压头构件601中的两个散热层603对压头构件601、晶圆以及夹具903进行降温，当温度降到设定值过后，关闭抽真空构件301，并利用进气构件701对键合腔101充压到设定值；

键合腔101内压达到设定值后，传动构件801将第二压头609下降到舱门位置，此时键合腔101的舱门打开，送片构件901的托架904在送片伺服电机905和滚珠丝杠902传送机构的作用下，将装有晶圆的夹具903接住，穿过键合腔101的舱门退出键合腔101，从而完成键合处理。

与现有技术相比，本发明所提供的晶圆键合系统100通过在柔性构件402的气体收容腔出气端覆盖第一压头608，并对气体收容腔进行充气增加其内部压强，从而对覆盖于出气端的第一压头608提供均匀的驱动压力，能够保证第一压头608与第二压头609之间的平行度，使得第一压头608对晶圆所提供的键合压力更平稳，提高了晶圆键合的精度与质量。

进一步的，该晶圆键合系统100通过加热构件配合压头构件601之中的加热层605来加热位于所述第二压头609上的晶圆，以提高晶圆键合效率。

再进一步的，所述晶圆键合系统100的温度控制器显示和控制所述键合腔101内温度，保证键合腔101内温度适宜晶圆键合，从而提高晶圆键合效率。

更进一步的，所述晶圆键合系统100的高压构件对压头构件601之中的压板层607供电，所述压板层607电场传递至键合晶圆上，从而提高晶圆键合效率。

综上，本发明所提供过的晶圆键合系统100通过电场、温度场和压力场的多场耦合作用的驱动方式，可完成低温硅直接键合、阳极键合、玻璃浆料键合、低温共晶键合、共熔晶键合和聚合物键合工艺，并且操作步骤简单，键合质量稳定，缓解了单一场驱动的键合对材料的类型以及压头平行度的苛刻要求，能够适应各种材料的键合，同时自动化程度高，大大降低了人力成本，便于形成市场竞争优势，具有很大的市场前景。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种晶圆键合系统，其特征在于，所述晶圆键合系统包括：

键合腔，所述键合腔内为真空；

压头构件，所述压头构件位于所述键合腔内，所述压头构件包括相互平行的第一压头与第二压头；

柔性构件，所述柔性构件包括与所述键合腔隔离的气体收容腔，所述气体收容腔包括入气端以及出气端，所述第一压头仅固定于所述出气端以密封所述出气端；

充压构件，所述充压构件连接所述柔性构件的入气端以调整所述气体收容腔内压强。

2.如权利要求1所述的晶圆键合系统，其特征在于，所述柔性构件沿竖直方向延伸，所述第一压头沿水平方向延伸。

3.如权利要求1所述的晶圆键合系统，其特征在于，所述柔性构件固定于所述键合腔侧壁。

4.如权利要求3所述的晶圆键合系统，其特征在于，所述键合腔侧壁设置有第一通孔，所述柔性构件覆盖所述第一通孔，所述第一通孔形成所述柔性构件入气端。

5.如权利要求1所述的晶圆键合系统，其特征在于，所述柔性构件具有弹性并具有形变极限位置。

6.如权利要求5所述的晶圆键合系统，其特征在于，所述柔性构件包括波纹管。

7.如权利要求1所述的晶圆键合系统，其特征在于，所述充压构件包括充气装置以及排气装置，所述充气装置与排气装置分别对所述气体收容腔进行充气与排气以调控气体收容腔内压强。

8.如权利要求1所述的晶圆键合系统，其特征在于，所述晶圆键合系统包括连接所述第二压头的传动构件，所述传动构件带动所述第二压头朝向或远离所述第一压头移动。

9.如权利要求8所述的晶圆键合系统，其特征在于，所述键合腔侧壁包括第二通孔，所述第二压头下方延伸出隔离构件，所述隔离构件覆盖所述第二通孔，所述隔离构件包括与所述键合腔隔离的外接空腔，所述外接空腔与所述第二通孔贯通，所述传动构件穿置于所述外接空腔与所述第二通孔。

10.如权利要求9所述的晶圆键合系统，其特征在于，所述隔离构件沿竖直方向延伸。

11.如权利要求9所述的晶圆键合系统，其特征在于，所述隔离构件具有弹性并具有形变极限位置。

12.如权利要求11所述的晶圆键合系统，其特征在于，所述隔离构件包括波纹管。

13.如权利要求1至12中任一项所述的晶圆键合系统，其特征在于，所述第一压头与第二压头均包括压板层、及加热层、及隔热层、及散热层、及法兰层。

14.如权利要求13所述的晶圆键合系统，其特征在于，所述晶圆键合系统包括连接所述第一压头以及第二压头中加热层的加热构件，所述加热构件配合所述加热层加热位于所述第二压头上的晶圆。

15.如权利要求1至12中任一项所述的晶圆键合系统，其特征在于，所述晶圆键合系统包括连接所述键合腔的温度控制器，以显示和控制所述键合腔内温度。

16.如权利要求1至12中任一项所述的晶圆键合系统，其特征在于，所述晶圆键合系统包括连接所述压板层的高压构件，所述高压构件对所述压板层供电。

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