CN109904105A - 晶圆键合装置以及晶圆对准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及晶圆键合装置和晶圆对准方法，所述晶圆键合装置包括：检测模块，包括检测光源和图像获取单元，所述检测光源用于发出能够透过晶圆的检测光，所述图像获取单元设置于键合位置上方或下方，用于实时获取待键合的两片晶圆上的对准标记的位置；移动模块，与所述检测模块连接，用于将待键合的两片晶圆移动至所述键合位置，并根据所述检测模块获取的两片晶圆上的对准标记的位置，调整两片晶圆的相对位置，以使得两片晶圆的对准标记对齐。上述晶圆键合装置能够提高晶圆键合对准度。

Description

晶圆键合装置以及晶圆对准方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种晶圆键合装置及晶圆对准方法。

背景技术

近年来，闪存(Flash Memory)存储器的发展尤为迅速。闪存存储器的主要特点是在不加电的情况下能长期保持存储的信息，且具有集成度高、存取速度快、易于擦除和重写等优点，因而在微机、自动化控制等多项领域得到了广泛的应用。为了进一步提高闪存存储器的位密度(Bit Density)，同时减少位成本(Bit Cost)，三维的闪存存储器(3D NAND)技术得到了迅速发展。

在3D NAND闪存结构中，包括存储阵列结构以及位于存储阵列结构上方的CMOS电路结构，所述存储阵列结和CMOS电路结构通常分别形成于两个不同的晶圆上，然后通过混合键合技术，将CMOS电路晶圆键合到存储阵列结构上方。存储阵列结构的金属接触部与CMOS电路结构中的金属接触部键合连接，两个晶圆表面的介质层键合连接。

对于混合键合技术，两片需要键合的晶圆在键合过程中的对准度是一个重要的参数。现有的键合机台通过上下两个镜头，分别记录两片晶圆的键合对准标记的位置坐标，具体包括：将上晶圆移动至键合位置处，通过下镜头记录上晶圆的对准标记位置，再将晶圆移回原位；将下晶圆移动至键合位置处，通过上镜头记录下晶圆对齐时的晶圆上对准标记的位置；再移动上晶圆至至记录下来的坐标位置处，实现晶圆键合的对准。

由于在对准过程中，需要机械手两次进行晶圆的传送，会存在移动误差，从而造成晶圆键合对准度的降低。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种晶圆键合装置以及晶圆对准方法，提高晶圆键合的对准度。

本发明提供一种晶圆键合装置，包括：检测模块，包括检测光源和图像获取单元，所述检测光源用于发出能够透过晶圆的检测光，所述图像获取单元设置于键合位置上方或下方，用于实时获取待键合的两片晶圆上的对准标记的位置；移动模块，与所述检测模块连接，用于将待键合的两片晶圆移动至所述键合位置，并根据所述检测模块获取的两片晶圆上的对准标记的位置，调整两片晶圆的相对位置，以使得两片晶圆的对准标记对齐。

可选的，所述检测光源设置于所述键合位置的与所述图像获取单元相对的另一侧。

可选的，所述检测光源与所述图像获取单元位于所述键合位置的同一侧。

可选的，所述检测光源的发光方向与晶圆表面成90°。

可选的，每片晶圆上形成有至少两个用于键合对齐的对准标记。

可选的，所述图像获取单元包括至少两个图像传感器，用于获取每片晶圆上至少两个对准标记的图像。

可选的，所述检测光源包括若干发光单元，所述发光单元数量与图像传感器数量一致。

可选的，所述对准标记为中部镂空图形。

可选的，当两片晶圆对准时，两片晶圆上的对准标记的中心位于同一轴线上，其中一晶圆上的对准标记位于另一晶圆上的对准标记的图形镂空处。

可选的，其中一晶圆上的对准标记尺寸小于另一晶圆上对准标记的图形镂空处尺寸。

可选的，所述移动模块包括两个机械臂，用于分别夹取两片晶圆。

本发明的技术方案还提供一种晶圆对准方法，包括：提供待键合的两片晶圆；将所述两片晶圆移动至键合位置，且两片晶圆的键合面相对放置；采用能够透过晶圆的检测光照射所述两片晶圆，以实时检测所述两片晶圆上的对准标记的位置；根据所述对准标记的位置，调整两片晶圆的相对位置，以使得两片晶圆的对准标记对齐。

可选的，所述检测光照射晶圆的方向与晶圆表面成90°。

可选的，通过获取所述两片晶圆上对准标记的图像，获取对准标记的位置。

可选的，至少获取每片晶圆上两个对准标记的图像。

可选的，所述使得两片晶圆的对准标记对齐包括：使得两片晶圆上至少各有两个对准标记相互对齐。

本发明的晶圆键合装置的检测光源发出的检测光能够透过晶圆，因此只需要在键合位置的一侧设置图像获取单元就能够同时获取两个晶圆上的对准标记的位置，并且根据实时检测到的对准标记的位置，直接在键合位置处调整两个晶圆的位置，实现对齐。可以减少移动模块传送晶圆的次数，减少移动误差，从而提高晶圆对准度。

附图说明

图1为本发明一具体实施方式的晶圆键合装置的结构示意图；

图2为本发明一具体实施方式的晶圆键合装置对晶圆进行对准时的示意图；

图3A～图3C为本发明一具体实施方式的晶圆上对准标记的示意图；

图4为本发明一具体实施方式的晶圆对准方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的晶圆键合装置以及晶圆对准方法具体实施方式做详细说明。

请参考图1，为本发明一具体实施方式的晶圆键合装置的示意图。

所述晶圆键合装置包括：检测模块101和移动模块102，所述检测模块用于实时获取待键合的两片晶圆上的对准标记的位置，所述移动模块102与所述检测模块101连接，用于将待键合的两片晶圆移动至所述键合位置，根据所述检测模块101获取的两片晶圆上的对准标记的位置，调整两片晶圆的相对位置，以使得两片晶圆的对准标记对齐。

所述移动模块101包括两个机械臂，用于分别夹取两片晶圆。所述移动模块101用于夹取并固定待键合的两片晶圆，并移动至键合位置，所述键合位置处设置有真空单元、加热单元等用于晶圆键合的部件。移动模块101将晶圆移动至键合位置处，并且两片晶圆的待键合面相对设置。

在键合之间需要调整两片晶圆的相对位置，使其对齐。所述待键合的晶圆表面或表层内形成有用于键合对准的对准标记，当上下两片晶圆的对准标记对齐时，表示两片晶圆位置对齐，可以进行键合。

通常通过检测两片晶圆内的对准标记的位置以判断是否对齐。

所述检测模块101包括检测光源1011和图像获取单元1012。所述图像获取单元1012用于获取晶圆上的对准标记所在位置的图像，从而获取对准标记的位置信息。所述图形获取单元1012包括图像传感器，例如CCD图像传感器或CMOS图像传感器等。

由于对准标记与周围的材料不同，因此具有不同的折射率或透射率。所述图形获取单元1012通过对准标记及其周围的材料的反射的检测光获取对准标记所在范围内的图像；或者，所述图形获取单元1012还可以通过透过所述对准标记及其周围的材料的检测光获取对准标记所在范围内的图像。

本发明的具体实施方式中，所述图像获取单元1012设置于键合位置上方或下方。当两片晶圆移动至所述待键合位置时，所述图像获取单元1012位于两片晶圆的上方或下方。

如果每片晶圆上仅有一个对准标记，那么即便所述一个对准标记上下对齐了，由于晶圆可以在平面内发生转动，也无法保证两个晶圆之间对齐。因此，待键合晶圆上均形成有至少两个对准标记，需要至少两个对准标记均上下对齐，才能确保两片晶圆上下对齐。

相应的，所述图像获取单元1012包括至少两个图像传感器，用于获取每片晶圆上的至少两个对准标记的图像。在本发明的一个具体实施方式中，所述图像获取单元1012包括两个图像传感器，均位于键合位置的上方。

所述检测光源1011用于发出能够透过晶圆的检测光，这样检测光能够透过两片晶圆，从而使得所述图像获取单元1012能够获取检测光照射到两片晶圆上时，每一片晶圆的反射光，或者透过两片晶圆的透射光。所述检测光源1011可以与所述图像获取单元1012设置于键合位置的同一侧，或者设置于所述图像获取单元1012的相对侧。并且，所述检测光源1011的发光方向与晶圆表面成90°。所述检测光的波长为800nm～1200nm的红外光。

所述检测光源1011可以包括多个发光单元，所述发光单元的数量与所述图像获取单元内的图像传感器数量一致。

所述检测光源1011的发光单元可以集成于所述图像传感器上，每个图像传感器上均集成一发光单元；所述检测光源1011还可以为独立光源，可以设置于键合位置的下方，所述检测光源1011的各发光单元与每个图像传感器位置相对，利用透射光使得图像传感器获取对准标记的图像。

请参考图2，在一个具体实施方式中，所述晶圆上用于键合对准的两个对准标记分别形成于晶圆直径的两端处，所述图像获取单元包括两个图像传感器，分别设置于所述两个对准标记的上方，便于分别获取两侧的对准标记的图像。

两片待键合的晶圆201和晶圆202的键合面相对设置，晶圆201位于晶圆202上方，所述图像获取单元位于所述晶圆201的上方，包括图像传感器203和图像传感器204。

所述晶圆201的键合面处具有对准标记2011和对准标记2012；所述晶圆202的键合面处具有对准标记2021和对准标记2022。在其他实施例中，晶圆键合面处的对准标记超过2个。在一个具体实施方式中，所述对准标记为晶圆上刻蚀形成对准标记图形一致的凹槽后，在所述凹槽内填充介质层而形成。

图像传感器203和图像传感器204分别位于所述对准标记2011和对准标记2012上方，所述图像传感器203用于获取对准标记2011和对准标记2021的图像，所述图像传感器204用于获取对准标记2012和对准标记2022的图像，根据获取的对准标记的图像可以获取对准标记的位置信息。

检测光源位于晶圆201的下方，包括发光单元205和发光单元206，分别与所述传感器203和图像传感器204相对设置，用于发出能够透射晶圆的检测光。所述传感器203和图像传感器204通过接收投射过晶圆202和晶圆201的反射光获取对准标记的图像。

该具体实施方式中，所述晶圆201和晶圆202的对准标记均为镂空图形，同一晶圆上的对准标记图形相同。在本实施例中，镂空图形为镂空多边形，在其他实施例中，镂空图形的形状不受限制。请参考图3A，为晶圆201上对准标记2012的图像示意图；请参考图3B，为晶圆202上对准标记2022的图像示意图。晶圆202上的对准标记2022图形尺寸小于晶圆201上的对准标记2012的镂空处尺寸，避免放置位于上方的晶圆201的对准标记2012对下方晶圆202上的对准标记2022造成遮挡，不利于对其操作。

在其他实施例中，多个对准标记的镂空图形图案可以相同，也可以不同。两个晶圆上互相对应的一对对准标记的镂空图形图案形状一致。

移动模块根据晶圆201和晶圆202上对准标记之间的相对位置，对晶圆201和晶圆202的位置进行调整，同时图形获取单元1012在晶圆201和晶圆202的位置调整过程中，不断获取两个晶圆上对准标记的位置信息，直至晶圆201和晶圆202上的对准标记对齐。

当晶圆201和晶圆202对齐时，需要对准标记2011和对准标记2021对齐，对准标记2012和对准标记2022对齐。请参考图3C，对准标记2012和对准标记2022对齐时，对准标记2022与对准标记2012的中心位于同一轴线上。晶圆2022上的对准标记尺寸小于晶圆201上对准标记2012的图形镂空处尺寸，因此，当晶圆202和晶圆201对准时，晶圆202上的对准标记2022位于晶圆201上的对准标记2012的图形镂空处。

由于上述键合装置的检测光源发出的检测光能够透过晶圆，因此只需要在键合位置的一侧设置图像获取单元就能够同时获取两个晶圆上的对准标记的位置，并且根据实时检测到的对准标记的位置，直接在键合位置处调整两个晶圆的位置，实现对齐。可以减少移动模块传送晶圆的次数，减少移动误差，从而提高晶圆对准度。

请参考图4，为本发明一具体实施方式的晶圆对准方法的流程示意图。

步骤S101：提供两片晶圆。所述两片晶圆待键合，且待键合的表面或近表面处均形成有用于键合对准的对准标记。每片晶圆上形成有至少两个对准标记。

步骤S102：将所述两片晶圆移动至键合位置，且两片晶圆的键合面相对放置。

步骤S103：采用能够透过晶圆的检测光照射所述两片晶圆，以实时检测所述两片晶圆上的对准标记的位置。

所述检测光能够透过两片晶圆，从而通过获取检测光照射到两片晶圆上时，每一片晶圆的反射光，或者透过两片晶圆的透射光获取对准标记的图像。由于对准标记与周围的材料不同，因此具有不同的折射率或透射率。可以通过对准标记及其周围的材料的反射的检测光获取对准标记所在范围内的图像；或者，还可以通过透过所述对准标记及其周围的材料的检测光获取对准标记所在范围内的图像。根据获取的两片晶圆上对准标记的图像可以获取对准标记的位置信息。至少获取每片晶圆上两个对准标记的图像。

检测光的方向与晶圆表面成90°，所述检测光的波长为800nm～1200nm的红外光。

步骤S104：根据所述对准标记的位置，分别调整两片晶圆的位置，以使得两片晶圆的对准标记对齐。

所述使得两片晶圆的对准标记对齐包括：使得两片晶圆上至少各有两个对准标记相互对齐。

在一个具体实施方式中，待键合的两片晶圆上的对准标记均为镂空图形，同一晶圆上的对准标记图形相同。其中一个晶圆上的对准标记小于另一晶圆上的对准标记，避免上下层的对准标记之间造成遮挡。

根据两片晶圆上对准标记之间的相对位置，分别对两片晶圆的位置进行调整，同时在晶圆的位置调整过程中，不断获取两个晶圆上对准标记的位置信息，直至两片晶圆上的对准标记对齐。

由于采用能够透过晶圆的检测光照射晶圆，因此可以同时获取两个晶圆上的对准标记的位置，并且根据实时检测到的对准标记的位置，直接在键合位置处调整两个晶圆的位置，实现对齐。可以减少传送晶圆的次数，减少移动误差，从而提高晶圆对准度。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (16)

1.一种晶圆键合装置，其特征在于，包括：

检测模块，包括检测光源和图像获取单元，所述检测光源用于发出能够透过晶圆的检测光，所述图像获取单元设置于键合位置上方或下方，用于实时获取待键合的两片晶圆上的对准标记的位置；

移动模块，与所述检测模块连接，用于将待键合的两片晶圆移动至所述键合位置，并根据所述检测模块获取的两片晶圆上的对准标记的位置，调整两片晶圆的相对位置，以使得两片晶圆的对准标记对齐。

2.根据权利要求2所述的晶圆键合装置，其特征在于，所述检测光源设置于所述键合位置的与所述图像获取单元相对的另一侧。

3.根据权利要求1所述的晶圆键合装置，其特征在于，所述检测光源与所述图像获取单元位于所述键合位置的同一侧。

4.根据权利要求1所述的晶圆键合装置，其特征在于，所述检测光源的发光方向与晶圆表面成90°。

5.根据权利要求1所述的晶圆键合装置，其特征在于，每片晶圆上形成有至少两个对准标记。

6.根据权利要求5所述的晶圆键合装置，其特征在于，所述图像获取单元包括至少两个图像传感器，用于获取每片晶圆上至少两个对准标记的图像。

7.根据权利要求6所述的晶圆键合装置，其特征在于，所述检测光源包括若干发光单元，所述发光单元数量与图像传感器数量一致。

8.根据权利要求1所述的晶圆键合装置，其特征在于，所述对准标记为中部镂空图形。

9.根据权利要求8所述的晶圆键合装置，其特征在于，当两片晶圆对准时，两片晶圆上的对准标记的中心位于同一轴线上，其中一晶圆上的对准标记位于另一晶圆上的对准标记的图形镂空处。

10.根据权利要求9所述的晶圆键合装置，其特征在于，其中一晶圆上的对准标记尺寸小于另一晶圆上对准标记的图形镂空处尺寸。

11.根据权利要求1所述的晶圆键合装置，其特征在于，所述移动模块包括两个机械臂，用于分别夹取两片晶圆。

12.一种晶圆对准方法，其特征在于，包括：

提供待键合的两片晶圆；

将所述两片晶圆移动至键合位置，且两片晶圆的键合面相对放置；

采用能够透过晶圆的检测光照射所述两片晶圆，以实时检测所述两片晶圆上的对准标记的位置；

根据所述对准标记的位置，调整两片晶圆的相对位置，以使得两片晶圆的对准标记对齐。

13.根据权利要求12所述的晶圆对准方法，其特征在于，所述检测光照射晶圆的方向与晶圆表面成90°。

14.根据权利要求12所述的晶圆对准方法，其特征在于，通过获取所述两片晶圆上对准标记的图像，获取对准标记的位置。

15.根据权利要求14所述的晶圆对准方法，其特征在于，至少获取每片晶圆上两个对准标记的图像。

16.根据权利要求12所述的晶圆对准方法，其特征在于，所述使得两片晶圆的对准标记对齐包括：使得两片晶圆上至少各有两个对准标记相互对齐。