CN108511363B - 一种键合装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种键合装置，包括真空腔体、设于所述真空腔体内用于装载第一片材的上键合板机构、设于所述上键合板机构上的波纹管单元、与所述波纹管单元连通的气源、与所述气源连接的控制器以及用于装载第二片材的下键合板机构，所述波纹管单元包括若干尺寸不同的波纹管，所述气源包括若干相互独立的气路，所述气路与所述波纹管一一对应，在将所述第一片材与所述第二片材进行键合时，所述控制器根据第一片材的位置和尺寸，控制覆盖所述第一片材的波纹管对应的所述气路充气，为所述第一片材提供正压力，同时控制其他位置的波纹管对应的所述气路抽气，为所述第一片材提供负压力。本装置可以实现多个相同或不同规格晶圆同时键合，大大提高了产率。

Description

一种键合装置
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，具体涉及一种键合装置。
背景技术
微电子技术是在电子电路和系统的超小型化和微型化过程中逐渐形成和发展起来的。微电子技术是高科技和信息产业的核心技术。微电子产业是基础性产业，之所以发展的如此之快，除了技术本身对国民经济的巨大贡献之外还与它极强的渗透性有关。在信息社会时代，产品以其信息含量的多少和处理信息能力的强弱，决定着其附加值的高低，从而决定它在国际市场分工中的地位。
微电子技术的发展一直是光刻设备和技术变革的动力，键合技术是微电子生产技术工艺中的关键工艺之一。
晶圆键合技术可以将不同材料的晶圆结合在一起，晶圆键合是半导体器件三维加工的一个重要的工艺，无论键合的种类，晶圆键合的主要工艺步骤均包括晶圆表面的处理(包括清洗、激活)、晶圆的对准以及最终的晶圆键合。通过这些工艺步骤，独立的单张晶圆被对准，然后键合在一起，实现其三维结构。键合不仅是微系统技术中的封装技术，而且也是三维器件制造中的一个有机的组成部分，在器件制造的前道工艺和后道工艺中均有应用。现有的最主要的键合应用为硅片和硅片的键合以及硅片和玻璃衬底的键合。
随着晶圆键合技术在微机电系统(MEMS)制造、微光电系统，特别是CMOS图像传感器(CIS)制造、以及新兴的三维芯片制造技术，如硅穿孔(TSV)技术中的广泛应用，键合技术对晶圆键合设备的性能不断提出更高的要求。键合 系统分为两大部分，对准机和键合机。
键合机加压装置是键合机的核心工作单元，且施加的压力均匀性是影响键合成功与否的关键指标之一。现有的键合加压方式一般是采用直接加压，如图1所示。当前键合工艺的键合晶圆规格有12寸、8寸、6寸等；从大尺寸晶圆键合设备可以覆盖加工小尺寸晶圆的理念出发，现有最大晶圆(12寸)设备在高温高压的环境下用来直接键合小尺寸晶圆会产生压盘1’变形的问题，如图2所示为键合8寸晶圆时的仿真图，从中可以看出在波纹管20bar压力下压盘1’的变形量已经为0.01mm，若后续如果使用压力更高(30bar)的高压键合，则压盘1’的变形则会更大。
发明内容
本发明提供了一种键合装置，以解决现有技术中存在的压盘变形的问题。
为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种键合装置，包括真空腔体、设于所述真空腔体内用于装载第一片材的上键合板机构、设于所述上键合板机构上的波纹管单元、与所述波纹管单元连通的气源、与所述气源连接的控制器以及用于装载第二片材的下键合板机构，所述波纹管单元包括若干尺寸不同的波纹管，所述气源包括若干相互独立的气路，所述气路与所述波纹管一一对应，在将所述第一片材与所述第二片材进行键合时，所述控制器根据第一片材的位置和尺寸，控制覆盖所述第一片材的波纹管对应的所述气路充气，为所述第一片材提供正压力，同时控制其他位置的波纹管对应的所述气路抽气，为所述第一片材提供负压力。
进一步的，所述若干尺寸不同的波纹管包括一个外层波纹管和若干内层波纹管，所述外层波纹管的尺寸大于任何一个所述内层波纹管，所述外层波纹管套设在所述若干内层波纹管外围。
进一步的，所述若干内层波纹管之间及所述若干内层波纹管与所述外层波纹管之间同轴设置。
进一步的，键合时所述控制器控制尺寸大于所述第一片材的波纹管对应的气路抽气，尺寸小于及等于所述第一片材的波纹管对应的气路充气。
进一步的，所述若干内层波纹管之间偏心设置。
进一步的，所述若干内层波纹管中所有内层波纹管均与所述外层波纹管偏心设置。
进一步的，所述若干内层波纹管中至少有一个内层波纹管与所述外层波纹管同轴设置。
进一步的，所述上键合板机构上设有一个第一片材时，所述控制器控制尺寸大于所述第一片材的波纹管对应的气路抽气，尺寸小于及等于所述第一片材的波纹管对应的气路充气；所述上键合板机构上设有至少两个第一片材时，所述控制器控制所述内层波纹管中覆盖所述至少两个第一片材的波纹管的气路充气，控制所述内层波纹管中其余的波纹管及外层波纹管抽气。
进一步的，所述上键合板机构由下至上依次包括上压盘、上加热板和上隔热板，所述第一片材设于所述上压盘下表面，所述波纹管单元设于所述上隔热板上方。
进一步的，所述下键合板机构和上键合板机构上下对称设置，所述下键合板机构由上至下依次包括下压盘、下加热板和下隔热板，所述第二片材设于所述下压盘上表面，所述下隔热板通过下盘安装板固定于所述真空腔体的下板上。
本发明提供的键合装置，包括真空腔体、设于所述真空腔体内用于装载第一片材的上键合板机构、设于所述上键合板机构上的波纹管单元、与所述波纹管单元连通的气源、与所述气源连接的控制器以及用于装载第二片材的下键合板机构，所述波纹管单元包括若干尺寸不同的波纹管，所述气源包括若干相互独立的气路，所述气路与所述波纹管一一对应，在将所述第一片材与所述第二片材进行键合时，所述控制器根据第一片材的位置和尺寸，控制覆盖所述第一片材的波纹管对应的所述气路充气，为所述第一片材提供正压力，同时控制其他位置的波纹管对应的所述气路抽气，为所述第一片材提供负压力。通过设置 若干尺寸不同的波纹管，并根据第一片材即晶圆的位置和尺寸通过独立的气路进行控制，不仅可以键合尺寸不同的晶圆，而且在键合小尺寸晶圆时不会出现压盘变形的问题，此外本装置可以实现多个相同或不同规格晶圆同时键合，大大提高了产率。
附图说明
图1是现有键合加压装置的结构示意图；
图2是现有键合加压装置中压盘的形变仿真图；
图3是本发明实施例1中键合装置的结构示意图；
图4是本发明实施例1中波纹管的布置方式；
图5是本发明实施例1中压盘的形变仿真图；
图6是本发明实施例2中键合装置的结构示意图；
图7-9是本发明实施例2中三种形式的波纹管布置示意图；
图10是本发明实施例3中的波纹管布置示意图。
图1-2中所示：1’、压盘；
图3-10中所示：1、真空腔体；2、上键合板机构；3、波纹管单元；4、气源；41、气路；5、控制器；6、下键合板机构；7、波纹管；7a、外层波纹管；7b、内层波纹管；8、压盘；9、加热板；10、隔热板；11、上盘连接机构；12、下盘安装板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作详细描述。
如图3所示，本发明提供一种键合装置，包括真空腔体1、设于所述真空腔体1内用于装载第一片材的上键合板机构2、设于所述上键合板机构2上的波纹管单元3、与所述波纹管单元3连通的气源4、与所述气源4连接的控制器5以及用于装载第二片材的下键合板机构6，所述波纹管单元3包括若干尺寸不同的 波纹管7，所述气源4包括若干相互独立的气路41，所述气路41与所述波纹管7一一对应，通过气源对波纹管7进行充气或抽气，提供正压力气流或提供负压力气流。
具体的，请参考图4，所述若干尺寸不同的波纹管7包括一个外层波纹管7a和若干内层波纹管7b，所述外层波纹管7a的尺寸大于任何一个所述内层波纹管7b，所述外层波纹管7a套设在所述若干内层波纹管7b外围。通过设置若干尺寸不同的波纹管7，每个波纹管7通过一条独立的气路41进行控制，在键合时，控制器5根据第一片材的位置和尺寸，控制覆盖所述第一片材的波纹管7对应的所述气路41充气，对所述第一片材施加正压力，达到键合的目的，同时控制其他位置波纹管7对应的气路41抽气，为所述第一片材提供负压力。本发明不仅可以键合尺寸不同的第一片材，在键合小尺寸第一片材时不会出现压盘8变形的问题，提高了键合效果，而且本发明还可以同时键合多个小尺寸的第一片材，提高键合效率。
请继续参照图1，所述上键合板机构2和下键合板机构6上下对称设置，所述上键合板机构2由下至上依次包括压盘8、加热板9和隔热板10，所述第一片材设于所述压盘8下表面，所述波纹管单元3设于所述隔热板10上方，所述气源4设于所述真空腔体1上方，与所述波纹管单元3通过上盘连接机构11连接。
优选的，所述下键合板机构6由上至下依次包括压盘8、加热板9和隔热板10，所述隔热板10通过下盘安装板12固定于所述真空腔体1的下板上。
实施例1
如图3、4所示，本实施例中若干内层波纹管7b之间及所述若干内层波纹管7b与所述外层波纹管7a之间同轴设置，且每个波纹管7对应一个气路41。
以第一片材是晶圆为例，目前市面上晶圆的规格一般包括12寸、8寸、6寸和4寸，本实施例设有对应上述四个尺寸的波纹管7，由内至外同心布置。在键合时，所述控制器5根据上键合板机构2上晶圆的尺寸控制尺寸大于所述晶圆的波纹管7对应的气路41抽气，尺寸小于及等于所述晶圆的波纹管7对应的 气路41充气，具体的说，当对12寸的晶圆进行键合时，此时需要将12寸的外层波纹管7a及所有内层波纹管7b内部全部充满气体，因此控制器5控制所有的气路41全部打开提供正压气体，保证晶圆对应的压盘8的整个面都有压力。当对8寸的晶圆进行键合时，此时12寸外层波纹管7a对应的气路41抽气，8寸以内的内层波纹管7b对应的气路41打开充气，保证超出8寸晶圆的压盘部分已抽成真空对下无压力，避免压盘8变形。如图5所示，仿真采用本实施例结构对晶圆进行键合所得出的压盘变形量结果，从图中可以看出在与附图1现有技术同等加工条件下压盘变形量位纳米级可以忽略不计。
实施例2
与实施例1不同的是，本实施例中所述若干内层波纹管7b之间偏心设置，键合时，若所述上键合板机构2上设有一个第一片材，所述控制器5控制尺寸大于所述第一片材的波纹管7对应的气路抽气，尺寸小于及等于所述第一片材的波纹管对应的气路充气；若所述上键合板机构2上设有至少两个第一片材，所述控制器5控制所述内层波纹管7b中覆盖所述至少两个第一片材的波纹管的气路充气，控制所述内层波纹管7b中其余的波纹管及外层波纹管7a抽气。
进一步地，所述若干内层波纹管7b中所有内层波纹管均与所述外层波纹管7a偏心设置，如图7-9所示。具体的，以第一片材是晶圆为例，目前市面上晶圆的规格一般包括12寸、8寸、6寸和4寸，本实施例根据待键合的晶圆尺寸与数量选择波纹管7的尺寸和数量对内层波纹管进行组配，当第一片材为12寸晶圆时，第一片材的数量为1个，此时可以只设置一个外层波纹管7a即可，键合时只需控制该外层波纹管7a对应的气路41进行充气；当第一片材为4寸、6寸或8寸晶圆时，一次键合的晶圆的数量可以有多个，且可以是相同规格的晶圆单一布置或规格不同的晶圆混合布置，每个晶圆对应一个相同尺寸的内层波纹管7b，此时内层波纹管7b之间及所述内层波纹管7b与外层波纹管7a之间偏心设置。如图7-9所示为可一次键合的晶圆的三种布置方式，其中图7为8寸和 4寸晶圆混合布置，图8为两个6寸和两个4寸晶圆混合布置，图9为7个4寸晶圆单一布置，按照待键合的晶圆的布置方式对每个晶圆配置一个相同尺寸的波纹管7。在键合时，所述控制器5根据上键合板机构上晶圆的尺寸和位置控制与所述晶圆位置对应的波纹管7连接的气路41开启提供正压，其他气路41抽气提供负压。该种结构可以实现多个相同和/或不同规格晶圆同时键合，大大提高了产率。
实施例3
与实施例2不同的是，本实施例中所述若干内层波纹管7b中至少有一个内层波纹管与所述外层波纹管7a同轴设置，如图10所示，气路控制策略与实施例2相同，在此不再赘述。
综上所述，本发明提供的键合装置，包括真空腔体1、设于所述真空腔体1内用于装载第一片材的上键合板机构2、设于所述上键合板机构2上的波纹管单元3、与所述波纹管单元3连通的气源4、与所述气源4连接的控制器5以及用于装载第二片材的下键合板机构6，所述波纹管单元3包括若干尺寸不同的波纹管7，所述气源4包括若干相互独立的气路41，所述气路41与所述波纹管7一一对应，在将所述第一片材与所述第二片材进行键合时，所述控制器5根据第一片材的位置和尺寸，控制覆盖所述第一片材的波纹管7对应的所述气路41充气，为所述第一片材提供正压力，同时控制其他位置的波纹管7对应的所述气路41抽气，为所述第一片材提供负压力。通过设置若干尺寸不同的波纹管7，并根据第一片材即晶圆的位置盒尺寸通过独立的气路41进行控制，不仅可以键合尺寸不同的晶圆，而且在键合小尺寸晶圆时不会出现压盘8变形的问题，此外本装置可以实现多个相同或不同规格晶圆同时键合，大大提高了产率。
虽然说明书中对本发明的实施方式进行了说明，但这些实施方式只是作为提示，不应限定本发明的保护范围。在不脱离本发明宗旨的范围内进行各种省略、置换和变更均应包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种键合装置，其特征在于，包括真空腔体、设于所述真空腔体内用于装载第一片材的上键合板机构、设于所述上键合板机构上的波纹管单元、与所述波纹管单元连通的气源、与所述气源连接的控制器以及用于装载第二片材的下键合板机构，所述波纹管单元包括若干尺寸不同的波纹管，所述气源包括若干相互独立的气路，所述气路与所述波纹管一一对应，在将所述第一片材的下表面与所述第二片材的上表面贴合并进行键合时，所述控制器根据第一片材的位置和尺寸，控制所述第一片材上表面对应的波纹管对应的所述气路充气，为所述上键合板机构、所述第一片材、所述第二片材以及所述下键合板机构提供正压力，同时控制位于所述第一片材外围的其它波纹管对应的所述气路抽气，为所述上键合板机构提供负压力。
2.根据权利要求1所述的键合装置，其特征在于，所述若干尺寸不同的波纹管包括一个外层波纹管和若干内层波纹管，所述外层波纹管的尺寸大于任何一个所述内层波纹管，所述外层波纹管套设在所述若干内层波纹管外围。
3.根据权利要求2所述的键合装置，其特征在于，所述若干内层波纹管之间及所述若干内层波纹管与所述外层波纹管之间同轴设置。
4.根据权利要求3所述的键合装置，其特征在于，键合时所述控制器控制尺寸大于所述第一片材的波纹管对应的气路抽气，尺寸小于及等于所述第一片材的波纹管对应的气路充气。
5.根据权利要求2所述的键合装置，其特征在于，所述若干内层波纹管之间偏心设置。
6.根据权利要求5所述的键合装置，其特征在于，所述若干内层波纹管中所有内层波纹管均与所述外层波纹管偏心设置。
7.根据权利要求5所述的键合装置，其特征在于，所述若干内层波纹管中至少有一个内层波纹管与所述外层波纹管同轴设置。
8.根据权利要求5所述的键合装置，其特征在于，所述上键合板机构上设有一个第一片材时，所述控制器控制尺寸大于所述第一片材的波纹管对应的气路抽气，尺寸小于及等于所述第一片材的波纹管对应的气路充气；所述上键合板机构上设有至少两个第一片材时，所述控制器控制所述内层波纹管中覆盖所述至少两个第一片材的波纹管的气路充气，控制所述内层波纹管中其余的波纹管及外层波纹管抽气。
9.根据权利要求1所述的键合装置，其特征在于，所述上键合板机构由下至上依次包括上压盘、上加热板和上隔热板，所述第一片材设于所述上压盘下表面，所述波纹管单元设于所述上隔热板上方。
10.根据权利要求9所述的键合装置，其特征在于，所述下键合板机构和上键合板机构上下对称设置，所述下键合板机构由上至下依次包括下压盘、下加热板和下隔热板，所述第二片材设于所述下压盘上表面，所述下隔热板通过下盘安装板固定于所述真空腔体的下板上。
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