CN105977172A - 一种辅助手动晶圆键合装置 - Google Patents

Abstract

一种辅助手动晶圆键合装置，包括长直角弯头接头、晶圆槽A、晶圆槽B、定角度合页、缓冲块A、缓冲块B、直线轴承A、直线轴承B、直线轴承C、直线光轴A、直线光轴B、直线光轴C、弹簧A、弹簧B、弹簧C、直线轴承连接件和底座，长直角弯头接头较短一端与晶圆槽A中心通孔过盈配合，晶圆槽A通过定角度合页与直线轴承C固定连接，晶圆槽B通过三根直线光轴与底座固定连接，三根弹簧分别与三根直线光轴间隙配合且位于靠近底座一端；三根直线轴承分别与三根直线光轴过盈配合且分别与三根弹簧上端固定连接，缓冲块A、缓冲块B分别与直线轴承A、直线轴承B固定连接。本发明避免了双手与晶圆片的直接接触，改善了手动晶圆键合质量。

Description

一种辅助手动晶圆键合装置

技术领域

本发明属于半导体制造技术领域，涉及一种简易晶圆键合的装置，能够辅助手动将清洗后的晶圆片完成晶圆装载、吹干、表面处理和键合全过程。

背景技术

晶圆直接键合（又称直接圆片键合）依靠十分光滑表面平整情况下表面间的自然吸引力，干净的接触表面在保持清洁的环境条件下实现连接。该技术广泛地应用于半导体、生物医疗芯片及光电子器件制造等领域。键合过程一般需要键合前清洗晶圆片，进行表面处理，而后将晶圆片装载入键合设备中实施键合。为了最大限度地排除外界环境给键合表面带来污染，理想状况是在洁净的全封闭环境下完成晶圆清洗、吹干、表面处理（适情况而选用）、装载和键合等全过程，工业界已开发出全自动化的晶圆键合设备。但是该全自动化设备主要用于工业化量产且价格十分高昂，在键合研发阶段，科研工作人员往往利用手动键合的方式来探索工艺过程的开发。而手动键合过程中，晶圆清洗、吹干、装载和键合都是相对独立的步骤，由于存在人为操作（如戴手套的手直接触及晶圆边缘或表面），很容易造成晶圆表面的污染，导致键合界面产生缺陷，很大程度上影响键合质量。因此，一种替代手功能的辅助晶圆键合的装置亟待开发。

发明内容

本发明的目的是提供一种简易的辅助晶圆键合装置，将清洗后的晶圆实现装载、吹干和键合全过程，避免了双手与晶圆片的直接接触，一定程度上减少了人为操作所引入的污染物，改善了手动晶圆键合质量。该装置也适用于在键合前增加紫外光等干法表面处理手段，进一步改善键合效果。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种辅助手动晶圆键合装置，包括长直角弯头接头、晶圆槽A、晶圆槽B、定角度合页、缓冲块A、缓冲块B、直线轴承A、直线轴承B、直线轴承C、直线光轴A、直线光轴B、直线光轴C、弹簧A、弹簧B、弹簧C、直线轴承连接件和底座，其中：

所述长直角弯头接头较短一端与晶圆槽A中心通孔过盈配合；

所述晶圆槽A通过定角度合页与直线轴承C固定连接；

所述晶圆槽B通过直线光轴A、直线光轴B、直线光轴C与底座固定连接；

所述弹簧A、弹簧B、弹簧C分别与直线光轴A、直线光轴B、直线光轴C间隙配合，且位于靠近底座一端；

所述直线轴承A、直线轴承B、直线轴承C分别与直线光轴A、直线光轴B、直线光轴C过盈配合，且分别与弹簧A、弹簧B、弹簧C上端固定连接；

所述缓冲块A、缓冲块B分别与直线轴承A、直线轴承B的上表面固定连接；

所述直线轴承连接件与直线轴承A、直线轴承B、直线轴承C固定连接。

上述辅助手动晶圆键合装置的工作原理如下：将表面处理过的3英寸晶圆片，用镊子夹取出来，分别水平放置在晶圆槽A和晶圆槽B中，并用气枪或者吹风机将晶圆片表面的液体吹干。由于槽深为0.2~0.3 mm，当晶圆片放置在晶圆槽中时，会使其整体高出至少0.1 mm，从而排除了手的干扰，不会使晶圆片的边缘发生因液体的堆积而使晶圆片被污染的现象。

根据以上工作原理，本发明提供的辅助晶圆键合装置具有以下优点：

1、在辅助晶圆键合装置的帮助下，整个晶圆键合的过程中，双手始终都没有与晶圆片表面和边缘发生接触，一定程度上减少了人为操作所引入的污染物。

2、利用该辅助晶圆键合装置，可同时对两个晶圆的表面实施干法（如紫外光照射）表面处理，并且在处理（照射）完成之后，只需将晶圆槽A快速翻转180º，即可快速完成晶圆片的键合，缩短手动操作时间，并降低在照射后和键合前过程中周围环境和人为操作所引入污染物，进一步改善晶圆键合的效果。

3、当晶圆槽A发生翻转，晶圆片完成键合之后，由于晶圆槽A的上表面与底座的下表面相互平行，可以将该辅助晶圆键合装置放在加压装置下进行加压，克服因表面粗糙度或晶圆翘曲而引起的部分未键合现象。

附图说明

图1为本发明辅助晶圆键合装置的爆炸图；

图2为本发明辅助晶圆键合装置的装配图的主视图；

图3为本发明辅助晶圆键合装置的装配图的侧视图；

图4~图7为本发明的操作流程图；

图8为本发明的紫外光光照处理示意图。

其中：1为长直角弯头接头、2为晶圆槽A、3为晶圆槽B、4为定角度（180°）合页、5为缓冲块A、6为缓冲块B、7为直线轴承A、8为直线轴承B、9为直线轴承C、10为直线光轴A、11为直线光轴B、12为直线光轴C、13为弹簧A、14为弹簧B、15为弹簧C、16为直线轴承连接件、17为底座、18为清洗后晶圆表面的残留液体、19为氮气枪、20为紫外光发生装置。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

具体实施方式一：结合图1~图3说明本实施方式，本实施方式中的辅助晶圆键合装置由长直角弯头接头1、晶圆槽A 2、晶圆槽B 3、定角度（180°）合页4、缓冲块A 5、缓冲块B 6、直线轴承A 7、直线轴承B 8、直线轴承C 9、直线光轴A 10、直线光轴B 11、直线光轴C 12、弹簧A 13、弹簧B 14、弹簧C 15、直线轴承连接件16和底座17构成，其中：

所述晶圆槽A 2的中心位置设置有直径为4 mm的中心通孔，以便与长直角弯头接头1较短的一端相连接；晶圆槽A 2的上表面为“Ω”字形的凹槽状，且其深度略高于长直角弯头接头1较长端的高度0.5~1.0 mm；晶圆槽A 2的下表面设置有直径为7.7 mm且深度为0.2~0.3 mm的凹槽，以对3英寸晶圆起到定位及吸附的作用；除此之外，晶圆槽A 2的下表面边缘上设置有以长直角弯头接头1所在的直线为轴线、与圆心连线成120º角的直径为5 mm且深度为2 mm的2个凹槽，以便分别与缓冲块A 5和缓冲块B 6相配合；

所述晶圆槽A 2通过定角度（180°）合页4与直线轴承C 9固定连接；

所述晶圆槽B 3上表面的中心位置设置有直径为7.7 mm且深度为0.2~0.3 mm的凹槽，以对3英寸晶圆起到定位的作用；在晶圆槽B 3的边缘处设置有与圆心连线互成120º角的3个直径为5 mm的通孔，以便与直线光轴A 10、直线光轴B 11、直线光轴C 12相连接；

所述底座17的外径与晶圆槽B 3的外径相同，晶圆槽B 3通过直线光轴A 10、直线光轴B 11、直线光轴C 12与底座17固定连接；

所述弹簧A 13、弹簧B 14、弹簧C 15分别与直线光轴A 10、直线光轴B 11、直线光轴C 12间隙配合，且位于靠近底座17一端；

所述直线轴承A 7、直线轴承B 8、直线轴承C 9分别与直线光轴A 10、直线光轴B 11、直线光轴C 12过盈配合，且分别与弹簧A 13、弹簧B 14、弹簧C 15上端固定连接；

所述缓冲块A 5、缓冲块B 6分别与直线轴承A 7、直线轴承B 8的上表面固定连接；

所述直线轴承连接件16为以直径为10mm，高度为5mm的圆柱体为主体，以圆柱体轴线为中心，120° 三等均分，外接三个上底长度为3mm、下底长度为5mm、高度为30mm、厚度为1.6mm的梯形件，其中，梯形件的上底与圆柱体固定连接，梯形件的直角边与圆柱体的底面位于同一平面内，梯形件的下底分别与直线轴承A 7、直线轴承B 8、直线轴承C 9固定连接。

具体实施方式二：结合图4~图7说明本实施方式，3英寸硅晶圆片经过RCA溶液（NH₄OH:H₂O₂:H₂O = 0.01~0.25:1:5）及去离子水湿法清洗完成之后，如图4所示，用镊子夹取晶圆片分别放入晶圆槽A和晶圆槽B中，并启动与长直角弯头接头相连的真空发生装置，吸住晶圆槽A中的晶圆，防止在晶圆槽A发转的过程中晶圆片发生脱落。

晶圆片放入晶圆槽A和晶圆槽B中后，利用氮气枪将晶圆片表面吸附的液体吹干，如图5所示，由于晶圆片四周略高于晶圆槽A和晶圆槽B的边缘，且没有手指在其四周阻隔，因此不会造成由于液体的停滞而产生的晶圆片表面污染的问题。

晶圆片吹干之后，即可翻转晶圆槽A，如图6所示，并用力下压使两片晶圆贴合。除此之外，还可将该辅助晶圆键合的装置放在压力装置下加压(如300 kgf)，以助于提高晶圆键合效果。

具体实施方式三：结合图8说明本发明的实施方式，该辅助晶圆键合的装置除了可用于完成以上步骤外，还可适用于利用紫外光照射的干法表面处理，而后实施晶圆键合。

将晶圆片吹干之后，利用紫外光源(如波长172 nm，光强10 mW/cm²)同时照射两个晶圆表面20分钟，除去表面所附着的有机污染(如灰尘颗粒等)，并改善表面亲水性。由于紫外光在很大程度上会被空气中的氧气吸收，因此晶圆片在利用紫外光照射时，要严格地控制紫外管光源与待处理的晶圆片表面之间的距离(<5 mm)。在紫外光照射完成后，无需手与晶圆的直接接触，利用该装置可快速地完成两个晶圆片的贴合，缩短手动操作时间，并降低在照射后和键合前过程中周围环境和人为操作所引入污染物，进一步改善晶圆键合的效果。

Claims (10)

1.一种辅助手动晶圆键合装置，其特征在于所述辅助手动晶圆键合装置由长直角弯头接头、晶圆槽A、晶圆槽B、定角度合页、缓冲块A、缓冲块B、直线轴承A、直线轴承B、直线轴承C、直线光轴A、直线光轴B、直线光轴C、弹簧A、弹簧B、弹簧C、直线轴承连接件和底座构成，其中：

所述长直角弯头接头较短一端与晶圆槽A中心通孔过盈配合；

所述晶圆槽A通过定角度合页与直线轴承C固定连接；

所述晶圆槽B通过直线光轴A、直线光轴B、直线光轴C与底座固定连接；

所述弹簧A、弹簧B、弹簧C分别与直线光轴A、直线光轴B、直线光轴C间隙配合，且位于靠近底座一端；

所述直线轴承A、直线轴承B、直线轴承C分别与直线光轴A、直线光轴B、直线光轴C过盈配合，且分别与弹簧A、弹簧B、弹簧C上端固定连接；

所述缓冲块A、缓冲块B分别与直线轴承A、直线轴承B的上表面固定连接；

所述直线轴承连接件与直线轴承A、直线轴承B、直线轴承C固定连接。

2.根据权利要求1所述辅助手动晶圆键合装置，其特征在于所述晶圆槽A 的上表面为“Ω”字形的凹槽状，且其深度略高于长直角弯头接头1较长端的高度0.5~1.0 mm；晶圆槽A的下表面设置有深度为0.2~0.3 mm的凹槽。

3.根据权利要求1或2所述辅助手动晶圆键合装置，其特征在于所述晶圆槽A的下表面边缘上设置有以长直角弯头接头所在的直线为轴线、与圆心连线成120º角的2个凹槽，以便分别与缓冲块A和缓冲块B相配合。

4.根据权利要求3所述辅助手动晶圆键合装置，其特征在于所述凹槽的深度为2 mm。

5.根据权利要求1所述辅助手动晶圆键合装置，其特征在于所述晶圆槽B上表面的中心位置设置有深度为0.2~0.3 mm的凹槽。

6.根据权利要求1或5所述辅助手动晶圆键合装置，其特征在于所述晶圆槽B 的边缘处设置有与圆心连线互成120º角的3个通孔，以便与直线光轴A 10、直线光轴B 11、直线光轴C 12相连接。

7.根据权利要求1所述辅助手动晶圆键合装置，其特征在于所述直线轴承连接件以圆柱体为主体，以圆柱体轴线为中心，120° 三等均分，外接三个梯形件，其中，梯形件的上底与圆柱体固定连接，梯形件的直角边与圆柱体的底面位于同一平面内，梯形件的下底分别与直线轴承A、直线轴承B、直线轴承C固定连接。

8.根据权利要求1所述辅助手动晶圆键合装置，其特征在于所述定角度合页的度数为180°。

9.一种利用权利要求1-8任一权利要求所述辅助手动晶圆键合装置进行晶圆键合的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：

一、用镊子夹取晶圆片分别放入晶圆槽A和晶圆槽B中，并启动与长直角弯头接头相连的真空发生装置，吸住晶圆槽A中的晶圆；

二、利用氮气枪将晶圆片表面吸附的液体吹干；

三、晶圆片吹干之后，翻转晶圆槽A并用力下压使两片晶圆贴合。

10.根据权利要求9所述的利用辅助手动晶圆键合装置进行晶圆键合的方法，其特征在于所述方法还包括如下步骤：

晶圆片吹干之后，利用紫外光源同时照射两个晶圆片表面，在紫外光照射完成后，翻转晶圆槽A并用力下压使两片晶圆贴合。