CN109326544B - 一种用于亲水性圆片直接键合的键合装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于亲水性圆片直接键合的键合装置及方法，包括：机架、旋转台总成、挡块夹具总成、给排水系统、上盖和压力施加装置；机架包括：支撑架和筒体；筒体的上端口安装有可开合的上盖；上盖上安装有压力施加装置；旋转台总成包括：旋转台、驱动电机和转轴；转轴可转动的设置于支撑架上，转轴的下端与驱动电机的输出轴相连接，转轴的上端安装有旋转台；挡块夹具总成设置于旋转台上；给排水系统包括进水管和出水管。本发明的亲水性圆片直接键合装置，结构简单、操作方便且成本低廉，适用于实验室研究；能够显著改善圆片键合质量。
Description
技术领域
本发明属于半导体制造技术领域，涉及圆片直接键合装置技术领域，特别涉及一种用于亲水性圆片直接键合的键合装置及方法。
背景技术
圆片直接键合技术是指两圆片在无任何粘结剂和中介层的情况下，其键合界面处的原子在外界能量的作用下发生物理化学反应形成共价键而结合成一体，并达到一定键合强度的微加工技术。该技术作为一种重要的半导体制造技术，其在产品封装、器件集成和材料制备等方面都有着十分广阔的应用前景。圆片直接键合技术对被键合圆片的表面质量要求很高，一般需要在键合之前对被键合圆片进行清洗，以除去其表面的各类污染物。同时，为了得到更高的键合强度，相应的圆片表面活化工艺也是非常有必要的。研究表明，RCA-1溶液和氧等离子体等亲水性表面活化处理方法能够显著提升被键合圆片表面的OH-浓度，这对两圆片键合界面形成更多牢固的共价键具有重要作用。
目前，工业上所使用的圆片直接键合技术都需要有专门的自动化键合设备，其主要用于大批量生产，价格昂贵，且所键合的圆片材料限制较多。而在键合技术的实验室研发阶段，科研人员通常需要对圆片进行手持操作以完成其键合过程的各道工序，且其所处的实验室环境往往不能满足特定的洁净度，这就很可能对清洗后的圆片表面造成再次污染，从而对键合质量产生不良影响。因此，设计一种结构简单、成本低廉的用于亲水性表面活化处理的圆片直接键合装置显得尤为必要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于亲水性圆片直接键合的键合装置及方法，以解决上述现有键合技术和设备存在的技术问题。本发明的亲水性圆片直接键合装置，结构简单、操作方便且成本低廉，适用于实验室研究；能够显著改善圆片键合质量。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于亲水性圆片直接键合的键合装置，包括：机架、旋转台总成、挡块夹具总成、给排水系统、上盖和压力施加装置；机架包括：支撑架和筒体；筒体固定安装在支撑架上，筒体的上下端均开口；筒体的上端口安装有可开合的上盖；上盖上安装有压力施加装置；旋转台总成包括：旋转台、驱动电机和转轴；转轴可转动的设置于支撑架上，转轴的下端与驱动电机的输出轴相连接，转轴的上端安装有旋转台；旋转台伸入筒体内；挡块夹具总成设置于旋转台上，挡块夹具总成用于固定待键合处理的圆片；给排水系统包括进水管和出水管；进水管的出水口处于旋转台的上方，用于圆片键合时冲水，出水管用于排出冲洗后的废水。
进一步的，上盖铰接在筒体上；上盖和筒体上安装有锁扣装置；上盖透明或设置有观察窗。
进一步的，压力施加装置包括：加载手轮、滚珠丝杠、压块和压力传感器；滚珠丝杠可转动的安装在上盖上，滚珠丝杠的底端穿过上盖进入筒体内；滚珠丝杠的上端安装有加载手轮，下端安装有压块；压力传感器包括采集端和显示端；采集端设置于压块上，用于采集压块对待键合圆片施加的压力，采集端设置于筒体外。
进一步的，挡块夹具总成包括：固定夹具和若干个可转动夹具；固定夹具固定安装在旋转台上，可转动夹具均可转动的设置于旋转台上，每个可转动夹具上均设置有凸起限位部；固定夹具和若干个可转动夹具绕旋转台的轴线布置。
进一步的，可转动夹具下部设置有螺纹部，上部设置有光滑部；可转动夹具通过螺纹部可转动的安装在旋转台上；光滑部上设置有阶梯台。
进一步的，旋转台上设置有多组夹具安装孔；每组夹具安装孔均包括多个安装通孔，所述多个安装通孔绕旋转台的轴线均布；不同组夹具安装孔的安装通孔到旋转台轴线的距离不同。
进一步的，机架包括工作台；筒体固定设置在工作台上，转轴的上端穿过工作台进入筒体内，工作台与转轴接触部设置有一圈挡水凸台；出水管的进水口设置于筒体与挡水凸台之间的工作台上。
进一步的，机架包括：底板、工作台和若干立柱；底板和工作台分别与每个立柱的两端固定连接；底板上固定设置有安装架；转轴通过轴承可转动的设置在安装架上。
一种用于亲水性圆片直接键合的键合方法，基于本发明的键合装置，包括以下步骤：
步骤1，将两待键合圆片通过挡块夹具总成装载于旋转台上；两待键合圆片平行对齐，且中间有一定间隙；
步骤2，按照预设低转速，启动驱动电机带动旋转台转动，通过给排水系统的进水管对两待键合圆片的键合表面进行冲水清洗；
步骤3，冲水到预设时间后，调驱动电机至预设高转速，将两待键合圆片的键合表面的水分旋干；
步骤4，停止旋转台，调整挡块夹具总成使上圆片落下，使上圆片的键合表面与下圆片的键合表面贴合；
步骤5，闭合上盖，通过压力施加装置对两贴合圆片施加预设大小的压力，持续预定时间以完成两圆片的预键合。
进一步的，步骤1中，两待键合圆片装载在旋转台上前，经过表面亲水活化处理；表面亲水活化处理包括：RCA-1溶液活化处理和氧等离子体表面活化处理。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的键合装置，通过机架支撑整个键合装置，通过旋转台总成旋干待键合圆片上的水滴；通过挡块夹具总成将待键合圆片按照预定要求装载在旋转台上；给排水系统能对两圆片的键合表面进行冲水操作，既可完成对键合表面的再次清洁，同时又能够在键合表面留下少量的水分子，两键合表面的水分子能够形成水分子链，有助于圆片预键合过程的紧密结合；通过压力施加装置对待键合圆片施加压力；整体键合装置能够对圆片进行装载、冲水、旋干、贴合和加压等操作完成圆片直接键合的预键合过程。本发明的键合装置可避免预键合过程中人手对圆片的接触，可有效减少人为操作对两圆片键合表面所造成的污染。本发明的亲水性圆片直接键合装置，结构简单、操作方便且成本低廉，适用于实验室研究；能够显著改善圆片键合质量。
进一步的，通过上盖能够防止冲水飞溅，上盖设置为透明和设置观察窗，便于观察筒内的工况，便于操作，提高操作效率。
进一步的，通过加载装置旋转滚珠丝杠，通过压块对待键合圆片施压，通过压力传感器检测并观察实时施加的压力；另外，压力施加装置能够在预键合过程中对两贴合圆片施加指定大小的压力，可克服因圆片表面粗糙度和翘曲所带来的局部未键合的问题。
进一步的，通过可转动夹具上设置的凸起限位部，可使得待键合圆片间留有间隙，便于冲洗；冲洗完毕，转动可转动夹具，可使处于上方的待键合圆片落下，能够进行预键合，操作方便，且可避免人手接触待键合圆片。
进一步的，键合装置的旋转台上根据被键合圆片尺寸沿径向设有多组夹具安装孔，能够适应多种尺寸圆片的键合要求。
本发明的键合方法基于本发明的键合装置，通过对两圆片的键合表面进行冲水操作，既完成对键合表面的再次清洁，同时又能够在键合表面留下少量的水分子，两键合表面的水分子能够形成水分子链，有助于圆片预键合过程的紧密结合；通过压力施加装置能够在预键合过程中对两贴合圆片施加指定大小的压力，可克服因圆片表面粗糙度和翘曲所带来的局部未键合的问题，通过本发明的键合方法能够完成两亲水性圆片的预键合。
附图说明
图1是本发明的一种用于亲水性圆片直接键合的键合装置的结构示意图；
图2是本发明的一种用于亲水性圆片直接键合的键合装置的上盖闭合状态时的主视结构示意图；
图3是本发明的一种用于亲水性圆片直接键合的键合装置中的旋转台总成及挡块夹具总成的结构示意图；
图4是本发明的一种用于亲水性圆片直接键合的键合装置中的上盖及压力施加装置的结构示意图；
图5是本发明的一种用于亲水性圆片直接键合的键合装置的上盖开启状态时的俯视结构示意图；
图1至图5中附图标记解释说明：
1为机架、11为筒体、12为安装耳孔A、13为工作台、14为底板、15为支撑柱、16为安装架、17为锁钩；
2为旋转台总成、21为驱动电机、22为联轴器、23为转轴、24为旋转台、25为辅助安装板、26为滚动轴承、27为通孔组；
3为挡块夹具总成、31为可转动夹具、32为固定挡块；
41为给水管、42为排水管；
5为上盖、51为安装耳孔B、52为销、53为锁扣；
6为压力施加装置、61为加载手轮、62为滚珠丝杠、63为摆动压块、64为压力传感器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
请参阅图1和图5，本发明的一种亲水性圆片直接键合装置，包括：机架1、旋转台总成2、挡块夹具总成3、给排水系统、上盖5和压力施加装置6。
机架1由上下两部分构成，用于装置的支撑、保护及相关部件的定位安装；旋转台总成2的驱动部分安装于机架1下部，机架1上部为工作台13，中间为一圆筒状的筒体11，旋转台24设于筒体11内，挡块夹具总成3安装于旋转台24上，给排水系统安装于旋转台24两侧，上盖5通过销孔结构与圆筒相连，压力施加装置6安装于上盖5中央。
请参阅图2，机架1上部为工作台13面，中间有一凸起的圆筒与台面固定连接，圆筒底面中心开一圆通孔，该通孔周围有向上凸起的挡水用的台阶，其两侧各开一小孔，圆筒顶部两端分别设有安装耳孔A12和锁钩17，与圆筒壁固定连接；机架1下部由底板14、支撑柱A、支撑柱B、支撑柱C、支撑柱D和“H”形的安装架16组成，底板14与工作台13面平行，支撑柱A、支撑柱B、支撑柱C和支撑柱D位于底板14四周，其下端与底板14固定连接，上端与工作台13面背面固定连接，“H”形的安装架16横板中心开一圆孔，两侧板下部开有长螺栓孔，位于底板14中央，其底部通过螺栓孔与底板14连接，顶部与工作台13面背面固定连接。
请参阅图3，旋转台24总成由驱动电机21、联轴器22、转轴23和旋转台24组成，驱动电机21采用螺栓连接通过“C”形的辅助安装板25安装于“H”形的安装架16的下部，转轴23一端通过联轴器22与驱动电机21输出轴相连接，中部通过滚动轴承26穿过“H”形安装架16横板中心圆孔，旋转台24位于工作台13面圆筒腔内，其上根据被键合圆片尺寸沿径向开有4组通孔，背面安装孔与转轴23顶端过盈配合连接。旋转台24上所开的4组通孔沿周向相差90°分布，每组通孔均包括4个孔，分别对应直径为2英寸、4英寸、6英寸和8英寸的圆片尺寸要求。
请参阅图3，挡块夹具总成由可转动夹具31、可转动夹具31、可转动夹具31和固定挡块32组成，其下部通过螺纹螺母与旋转台24上相应通孔组27连接，可转动夹具31可以旋转，固定挡块32固定不动。具体的，挡块夹具总成中可转动夹具31、可转动夹具31、可转动夹具31和固定挡块32均为带有一级阶梯的圆柱状，直径较小一端为螺纹轴，直径较大一端为光轴，其中可转动夹具31、可转动夹具31和可转动夹具31的光轴段在相同高度处沿径向设有一支撑片与光轴固定连接。
请参阅图1和图2，给排水系统由阀门、给水管41和排水管42组成；给水管41一端与去离子水供给系统连接，另一端通过圆筒底面小孔安装于旋转台24一侧，阀门设于给水管41上以控制给水量，排水管42一端通过圆筒底面小孔安装于旋转台24另一侧，另一端与污水收集系统连接。
请参阅图4，上盖5直径与圆筒外径相同，中心开一圆孔，内圈为透明有机玻璃，外圈边缘一端设有一组平行的安装耳孔B51与圆筒顶部安装耳孔A12通过销52连接，另一端设有一锁扣53结构与圆筒顶部的锁钩17配合；
请参阅图4，压力施加装置6由加载手轮61、滚珠丝杠62、摆动压块63和压力传感器64组成；滚珠丝杠62通过轴承可转动的设置于丝杠安装座上，丝杠安装座采用螺栓连接安装于上盖5中心孔中，顶端与加载手轮61固定连接，底端与摆动压块63铰接，压力传感器64检测部分内置于滚珠丝杠62下部，显示部分设于滚珠丝杠62顶部与之固定连接。
本发明的亲水性圆片直接键合装置的工作原理：
将经过表面亲水处理的两待键合圆片通过可动夹具和固定挡块装载于旋转台上，两圆片上下平行对齐，且中间有一定间隙；设定低转速，启动旋转台，打开给水阀门对两圆片键合表面进行冲水清洗；冲水3～5分钟后关闭给水阀门，调高转速，将圆片键合表面水分旋干；停止旋转台，转动可动夹具，使上圆片落下，其键合表面与下圆片贴合；关闭上盖，转动加载手轮，对两贴合圆片施加一定大小的压力，持续一定时间以完成两圆片的预键合过程；最后将具有一定键合强度的预键合圆片取出放入工业炉中进行退火，完成其键合过程。
本发明的键合装置可避免预键合过程中人手对圆片的接触，可有效减少人为操作对两圆片键合表面所造成的污染；旋转台上根据被键合圆片尺寸沿径向设有4组夹具安装孔，能够适应多种尺寸圆片的键合要求；能够对两圆片的键合表面进行冲水操作，既完成了对键合表面的再次清洁，同时又能够在键合表面留下少量的水分子，两键合表面的水分子能够形成水分子链，有助于圆片预键合过程的紧密结合；压力施加装置能够在预键合过程中对两贴合圆片施加指定大小的压力，可克服因圆片表面粗糙度和翘曲所带来的局部未键合的问题。
本发明的利用圆片直接键合装置进行圆片键合的方法，其包括以下步骤：
一、将经过RCA-1溶液和氧等离子体表面亲水活化处理的两待键合圆片通过可动夹具31和固定挡块32装载于旋转台24上，两圆片上下平行对齐，装载间隙固定在5mm；
二、设定低转速为500r/min，启动旋转台24，打开给水阀门41对两圆片键合表面进行冲水清洗；
三、冲水3～5分钟后关闭给水阀门41，调高转速至1500r/min，将圆片键合表面水分旋干；
四、停止旋转台24，依次转动可动夹具31，使上圆片落下，其待键合表面与下圆片贴合；
五、关闭上盖5，转动加载手轮61，对两贴合圆片施加一定大小的压力，例如100kgf，持续一定时间，例如2h，以完成两圆片的预键合过程；
六、松开加载手轮61，开启上盖5，将具有一定键合强度的预键合圆片取出放入工业炉中进行退火，退火温度为400℃，时间为6h，从而完成其键合过程。
综上，本发明的亲水性圆片直接键合装置，由机架、旋转台总成、挡块夹具总成、给排水系统、上盖和压力施加装置组成。其中，机架由上下两部分构成；旋转台总成的驱动部分安装于机架下部，由电机、联轴器和转轴组成；机架上部为工作台，中间为一圆筒状，旋转台位于圆筒内并与转轴连接；挡块夹具总成安装于旋转台上，给排水系统安装于旋转台两侧；上盖通过销孔结构与圆筒相连，压力施加装置位于上盖中央。本发明为经过表面亲水处理的圆片键合提供了一种键合装置，其能够通过对表面亲水处理的圆片进行装载、冲水、旋干、贴合、加压等操作完成圆片直接键合的预键合过程；其结构简单、操作方便、成本低廉，能显著改善键合质量。
Claims (10)
1.一种用于亲水性圆片直接键合的键合装置，其特征在于，包括：机架(1)、旋转台总成(2)、挡块夹具总成(3)、给排水系统、上盖(5)和压力施加装置(6)；
机架(1)包括：支撑架和筒体(11)；筒体(11)固定安装在支撑架上，筒体(11)的上下端均开口；筒体(11)的上端口安装有可开合的上盖(5)；上盖(5)上安装有压力施加装置(6)；
旋转台总成(2)包括：旋转台(24)、驱动电机(21)和转轴(23)；转轴(23)可转动的设置于支撑架上，转轴(23)的下端与驱动电机(21)的输出轴相连接，转轴(23)的上端安装有旋转台(24)；旋转台(24)伸入筒体(11)内；
挡块夹具总成(3)设置于旋转台(24)上，挡块夹具总成(3)用于固定待键合处理的圆片；
给排水系统包括给水管(41)和排水管(42)；给水管(41)的出水口处于旋转台(24)的上方，用于圆片键合时冲水；排水管(42)用于排出冲洗后的废水。
2.根据权利要求1所述的一种用于亲水性圆片直接键合的键合装置，其特征在于，上盖(5)铰接在筒体(11)上；上盖(5)和筒体(11)上安装有锁扣装置；上盖(5)设置为透明或设置有观察窗。
3.根据权利要求1所述的一种用于亲水性圆片直接键合的键合装置，其特征在于，压力施加装置(6)包括：滚珠丝杠(62)、压块和压力传感器(64)；
滚珠丝杠(62)可转动的安装在上盖(5)上，滚珠丝杠(62)的底端穿过上盖(5)进入筒体(11)内；滚珠丝杠(62)的上端安装有加载装置，下端安装有压块；
压力传感器(64)包括采集端和显示端；采集端设置于压块上，用于采集压块对待键合圆片施加的压力，显示端设置于筒体(11)外。
4.根据权利要求1所述的一种用于亲水性圆片直接键合的键合装置，其特征在于，挡块夹具总成(3)包括：固定挡块(32)和若干个可转动夹具(31)；固定挡块(32)固定安装在旋转台(24)上，可转动夹具(31)均可转动的设置于旋转台(24)上，每个可转动夹具(31)上均设置有凸起限位部；
固定挡块(32)和若干个可转动夹具(31)绕旋转台(24)的轴线布置。
5.根据权利要求4所述的一种用于亲水性圆片直接键合的键合装置，其特征在于，可转动夹具(31)下部设置有螺纹部，上部设置有光滑部；可转动夹具(31)通过螺纹部可转动的安装在旋转台(24)上；光滑部上设置有阶梯台。
6.根据权利要求1所述的一种用于亲水性圆片直接键合的键合装置，其特征在于，旋转台(24)上设置有多组夹具安装孔；每组夹具安装孔均包括多个安装通孔，所述多个安装通孔绕旋转台(24)的轴线均布；不同组夹具安装孔的安装通孔到旋转台(24)轴线的距离不同。
7.根据权利要求1所述的一种用于亲水性圆片直接键合的键合装置，其特征在于，机架(1)包括工作台(13)；筒体(11)固定设置在工作台(13)上，转轴(23)的上端穿过工作台(13)进入筒体(11)内，工作台(13)的与转轴(23)接触部设置有一圈挡水凸台；
排水管(42)的进水口设置于筒体(11)与挡水凸台之间的工作台(13)上。
8.根据权利要求1所述的一种用于亲水性圆片直接键合的键合装置，其特征在于，机架(1)包括：底板(14)、工作台(13)和若干支撑柱(15)；
底板(14)和工作台(13)分别与每个支撑柱(15)的两端固定连接；
底板(14)上固定设置有安装架(16)；转轴(23)通过轴承可转动的设置在安装架(16)上。
9.一种用于亲水性圆片直接键合的键合方法，其特征在于，基于权利要求1至8中任一项所述的键合装置，包括以下步骤：
步骤1，将两待键合圆片通过挡块夹具总成(3)装载于旋转台(24)上；两待键合圆片平行对齐，且中间有一定间隙；
步骤2，按照预设低转速，启动驱动电机(21)带动旋转台(24)转动，通过给排水系统的给水管(41)对两待键合圆片的键合表面进行冲水清洗；
步骤3，冲水到预设时间后，调驱动电机(21)至预设高转速，将两待键合圆片的键合表面的水分旋干；
步骤4，停止旋转台(24)，调整挡块夹具总成(3)使上圆片落下，使上圆片的键合表面与下圆片的键合表面贴合；
步骤5，闭合上盖(5)，通过压力施加装置(6)对两贴合圆片施加预设大小的压力，持续预定时间以完成两圆片的预键合。
10.根据权利要求9所述的一种用于亲水性圆片直接键合的键合方法，其特征在于，步骤1中，两待键合圆片装载在旋转台(24)上前，经过表面亲水活化处理；
表面亲水活化处理包括：RCA-1溶液活化处理和氧等离子体表面活化处理。
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