CN110444508A - 堆叠式多对晶圆键合装置及键合方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种堆叠式多对晶圆键合装置及键合方法，该键合装置包括键合腔室以及堆叠设置于键合腔室内的多个卡盘组件，每个卡盘组件包括用于装载一对晶圆的卡盘、用于将该对晶圆中间隔开的间隔片以及用于将该对晶圆固定在卡盘上的夹锁，还包括位于键合腔室内的底部控温承重组件以及上部控温施压组件，所述底部控温承重组件位于最下面的卡盘的底部，所述上部控温施压组件位于最上面的卡盘的上方，位于最下面的卡盘上方的各所述卡盘均通过加热丝和控温热电偶与所述底部控温承重组件连接。本发明能够减小晶圆级键合的成本，可以很大程度上提高键合的工作效率，提高生产效率。

Description

堆叠式多对晶圆键合装置及键合方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种堆叠式多对晶圆键合装置及键合方法。

背景技术

随着超大规模集成电路的发展，晶圆键合被证明是一种直接有效的组装、加工、制造基底材料的方法，并且在半导体领域、微电子领域、MEMS以及光电器件的制造领域得到了广泛的应用

晶圆键合是通过晶圆界面处的原子在外界能量的作用下，通过范德华力、分子力和原子力使晶圆键合成为一体的技术。现有的晶圆键合工艺有许多种，其中直接晶圆键合因不需要粘结剂、在常压下进行、耐高温、具有较高的产出而被广泛应用。晶圆键合中，第二晶圆与第一晶圆需要进行高精度的对准，以在两个或更多个晶圆上实现完整的器件。

目前通常所采用的晶圆级键合的装置和方法一次只能将一对第二晶圆与第一晶圆键合，当需要对多对晶圆进行键合时，键合时间长，工作效率低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种堆叠式多对晶圆键合装置及键合方法，旨在用于解决现有的晶圆键合方法键合时间长、工作效率低的问题。

本发明是这样实现的：

一方面，本发明提供一种堆叠式多对晶圆键合装置，包括键合腔室以及堆叠设置于键合腔室内的多个卡盘组件，每个卡盘组件包括用于装载一对晶圆的卡盘、用于将该对晶圆中间隔开的间隔片以及用于将该对晶圆固定在卡盘上的夹锁，该装置还包括位于键合腔室内的底部控温承重组件以及上部控温施压组件，所述底部控温承重组件位于最下面的卡盘的底部，所述上部控温施压组件位于最上面的卡盘的上方，位于最下面的卡盘上方的各所述卡盘均通过加热丝和控温热电偶与所述底部控温承重组件连接。

进一步地，相邻两个所述卡盘之间通过弹簧支撑。

进一步地，每个所述卡盘组件具有多个间隔片且多个所述间隔片沿卡盘四周均匀布置。

进一步地，还包括间隔片撤离机械手臂，各所述卡盘组件的间隔片上下对应设置，且相对应的各所述间隔片与同一个所述间隔片撤离机械手臂连接。

进一步地，每个所述卡盘组件具有多个夹锁且多个所述夹锁沿卡盘四周均匀布置。

进一步地，所述夹锁压紧于晶圆顶部，位于夹锁上方的卡盘上设有与所述夹锁对应的让位槽。

进一步地，还包括固定于腔室底部的圆卡柱，各所述卡盘上设有与所述圆卡柱相对应的通孔，所述圆卡柱伸入相对应的各所述通孔内。

进一步地，位于最下面的卡盘上方的各所述卡盘内呈圆环状均匀分布有加热丝和控温热电偶。

本发明还提供一种堆叠式多对晶圆键合方法，采用上述的堆叠式多对晶圆键合装置，该方法包括以下步骤：

1）取出键合装置中最下面的卡盘，反面朝上放入对准机台中，利用托盘背面朝上放入第一晶圆，找到键合标记，第一晶圆与卡盘结合后，正面朝上放入第二晶圆，找到对准标记进行对准后，利用间隔片和夹锁对对准后的第一晶圆和第二晶圆进行固定，取出卡盘，正面朝上放在底部控温承重组件上；

2）采用步骤1）的方法依次在其他卡盘上对准并固定晶圆对，各卡盘从下往上依次堆叠放置；

3）在相邻两个卡盘之间接入弹簧；

4）将底部控温承重组件引出来的加热丝和控温热电偶与位于最下面的卡盘上方的各卡盘连接；

5）设定好各卡盘的温度，通过底部控温承重组件预留的与键合腔室连通的通气孔对键合腔室进行抽气处理达到键合所需条件；

6）对通气孔进行密封，底部控温承重组件和上部控温施压组件对堆叠放置的各对晶圆施加温度压力进行晶圆热压键合。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的这种堆叠式多对晶圆键合装置及键合方法，能够在很大程度上减小晶圆级键合的成本，提高键合的工作效率。由于在晶圆键合过程中，第一晶圆和第二晶圆在键合之前的升温以及键合之后的降温所耗费的时间是非常长的，如果一次性只能键合一对第一晶圆和第二晶圆，耗时会很长，导致生产成本增加，因此本发明所提供的堆叠式多对晶圆同时键合的装置和方法，能够减小晶圆级键合的成本，当对两对晶圆同时键合时，键合效率可以提高两倍，当对三对晶圆同时键合时，键合效率可以提高三倍，因此可以很大程度上提高键合的工作效率，提高生产效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种堆叠式多对晶圆键合装置的剖视图；

图2为本发明实施例提供的一种堆叠式多对晶圆键合装置的卡盘的俯视图。

附图标记说明：1-底部控温承重组件、2-圆卡柱、3-加热丝和控温热电偶、4-第一卡盘、5-第二卡盘、6-间隔片撤离机械手臂、7-第三卡盘、8上部控温施压组件、9-夹锁、10-让位槽、11-间隔片、12-弹簧、13-键合腔室、14-通孔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1和图2所示，本发明实施例提供一种堆叠式多对晶圆键合装置，包括键合腔室13以及从下往上依次堆叠设置于键合腔室13内的多个卡盘组件，每个卡盘组件用于固定一对第一晶圆和第二晶圆，从而可以实现同时固定多对晶圆进行键合。每个卡盘组件包括用于装载一对第一晶圆和第二晶圆的卡盘、用于将第一晶圆和第二晶圆隔开的间隔片11以及用于将该对晶圆固定在卡盘上的夹锁9，卡盘上设有卡槽，用于对晶圆进行限位，通过间隔片11将第一晶圆与第二晶圆隔开，方便对第一晶圆与第二晶圆之间进行抽气以使两片晶圆之间满足相应的键合前的温度、压力等条件，所述夹锁9用于将对准后的晶圆固定在卡盘上，避免晶圆产生位移。该装置还包括位于键合腔室13内的底部控温承重组件1以及上部控温施压组件8，它们的作用是承重，施压和加热控温，所述底部控温承重组件1位于键合腔室13内的底部位置，位于最下面的卡盘放置于所述底部控温承重组件1的上方，所述底部控温承重组件1用于通过第一卡盘4对最下面的一个晶圆进行承重和加热控温，所述上部控温施压组件8位于最上面的卡盘的上方，用于通过最上面的卡盘对最上面的一个晶圆进行施压和加热控温，位于最下面的卡盘上方的各所述卡盘均通过加热丝和控温热电偶3与所述底部控温承重组件1连接，用于对处于中间位置的晶圆进行加热和控温，使得各晶圆加热和控温均匀。本实施例以三对晶圆的键合装置为例，一共有三个卡盘，从下往上依次为第一卡盘4、第二卡盘5和第三卡盘7。

作为本实施例的优选，相邻两个所述卡盘之间通过弹簧12支撑，优选在每两个卡盘之间设置两个弹簧12，便于在每对第一晶圆与第二晶圆抽气满足键合条件后，并且间隔片11撤离后，键合晶圆堆叠能保持水平。

作为优选地，每个所述卡盘组件具有多个间隔片11且多个所述间隔片11沿卡盘四周均匀布置，本实施例中每个卡盘组件对应设置有三个间隔片11。进一步地，还包括间隔片撤离机械手臂6，各所述卡盘组件的间隔片11上下对应设置，且相对应的各所述间隔片11与同一个所述间隔片撤离机械手臂6连接，因此本实施例中一共设置有三个间隔片撤离机械手臂6，通过间隔片撤离机械手臂6可以同时对多个间隔片11进行撤离，具体可采用间隔片撤离机械手臂6带动间隔片11旋转的方式对间隔片11进行撤离。

作为优选地，每个所述卡盘组件具有多个夹锁9且多个所述夹锁9沿卡盘四周均匀布置，从而对晶圆四周均匀固定，本实施例中每个卡盘组件对应设置有两个夹锁9，两个夹锁9相对设置。进一步优选地，所述夹锁9压紧于晶圆顶部，作为实施方式之一，所述夹锁9一端旋转固定在卡盘上，另一端可旋转至晶圆上方，对晶圆进行压紧固定。由于卡盘是堆叠放置的，上面的卡盘堆放在下面的卡盘正上方，键合要求键合面保持相对水平，而下面的卡盘上面由于设计有夹锁9和间隔片11，且夹锁9和间隔片11具有一定的厚度，特别是夹锁9压紧于晶圆顶部，其是凸出于晶圆上表面的，位于夹锁9上方的卡盘上设有与所述夹锁9对应的让位槽10，给夹锁9预留足够空间。

优化上述实施例，还包括固定于腔室底部的圆卡柱2，各所述卡盘上设有与所述圆卡柱2相对应的通孔14，所述圆卡柱2伸入相对应的各所述通孔14内，本实施例中设置有三个圆卡柱2，每个卡盘上对应设置有三个通孔14。

进一步地，位于最下面的卡盘上方的各所述卡盘内呈圆环状均匀分布有加热丝和控温热电偶3，来保证晶圆各部分加热和控温的均匀性。

本发明实施例还提供一种堆叠式多对晶圆键合方法，采用上述的堆叠式多对晶圆键合装置，该方法包括以下步骤：

1）取出键合装置中最下面的卡盘，即第一卡盘4，反面朝上放入对准机台中，利用托盘背面朝上放入第一晶圆，找到键合标记，第一晶圆与第一卡盘4结合后，正面朝上放入第二晶圆，找到对准标记进行对准后，利用间隔片11和夹锁9对对准后的第一晶圆和第二晶圆进行固定，取出第一卡盘4，正面朝上放在底部控温承重组件1上；

2）采用步骤1）的方法依次在第二卡盘5和第三卡盘7上对准并固定晶圆对，装载有对准后的晶圆对的各卡盘从下往上依次堆叠放置；

3）在相邻两个卡盘之间接入弹簧12；

4）将底部控温承重组件1引出来的加热丝和控温热电偶3与第二卡盘5和第三卡盘7连接；

5）设定好各卡盘的温度，通过底部控温承重组件1预留的与键合腔室13连通的通气孔对键合腔室13进行抽气处理达到键合所需条件；

6）对通气孔进行密封，保证芯片所处的环境满足键合条件，底部控温承重组件1和上部控温施压组件8对堆叠放置的各对晶圆施加温度压力进行晶圆热压键合。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种堆叠式多对晶圆键合装置，其特征在于：包括键合腔室以及堆叠设置于键合腔室内的多个卡盘组件，每个卡盘组件包括用于装载一对晶圆的卡盘、用于将该对晶圆中间隔开的间隔片以及用于将该对晶圆固定在卡盘上的夹锁，该装置还包括位于键合腔室内的底部控温承重组件以及上部控温施压组件，所述底部控温承重组件位于最下面的卡盘的底部，所述上部控温施压组件位于最上面的卡盘的上方，位于最下面的卡盘上方的各所述卡盘均通过加热丝和控温热电偶与所述底部控温承重组件连接。

2.如权利要求1所述的堆叠式多对晶圆键合装置，其特征在于：相邻两个所述卡盘之间通过弹簧支撑。

3.如权利要求1所述的堆叠式多对晶圆键合装置，其特征在于：每个所述卡盘组件具有多个间隔片且多个所述间隔片沿卡盘四周均匀布置。

4.如权利要求3所述的堆叠式多对晶圆键合装置，其特征在于：还包括间隔片撤离机械手臂，各所述卡盘组件的间隔片上下对应设置，且相对应的各所述间隔片与同一个所述间隔片撤离机械手臂连接。

5.如权利要求1所述的堆叠式多对晶圆键合装置，其特征在于：每个所述卡盘组件具有多个夹锁且多个所述夹锁沿卡盘四周均匀布置。

6.如权利要求1所述的堆叠式多对晶圆键合装置，其特征在于：所述夹锁压紧于晶圆顶部，位于夹锁上方的卡盘上设有与所述夹锁对应的让位槽。

7.如权利要求1所述的堆叠式多对晶圆键合装置，其特征在于：还包括固定于腔室底部的圆卡柱，各所述卡盘上设有与所述圆卡柱相对应的通孔，所述圆卡柱伸入相对应的各所述通孔内。

8.如权利要求1所述的堆叠式多对晶圆键合装置，其特征在于：位于最下面的卡盘上方的各所述卡盘内呈圆环状均匀分布有加热丝和控温热电偶。

9.一种堆叠式多对晶圆键合方法，其特征在于：采用如权利要求1-8任一所述的堆叠式多对晶圆键合装置，该方法包括以下步骤：

1）取出键合装置中最下面的卡盘，反面朝上放入对准机台中，利用托盘背面朝上放入第一晶圆，找到键合标记，第一晶圆与卡盘结合后，正面朝上放入第二晶圆，找到对准标记进行对准后，利用间隔片和夹锁对对准后的第一晶圆和第二晶圆进行固定，取出卡盘，正面朝上放在底部控温承重组件上；

2）采用步骤1）的方法依次在其他卡盘上对准并固定晶圆对，各卡盘从下往上依次堆叠放置；

3）在相邻两个卡盘之间接入弹簧；

4）将底部控温承重组件引出来的加热丝和控温热电偶与位于最下面的卡盘上方的各卡盘连接；

5）设定好各卡盘的温度，通过底部控温承重组件预留的与键合腔室连通的通气孔对键合腔室进行抽气处理达到键合所需条件；

6）对通气孔进行密封，底部控温承重组件和上部控温施压组件对堆叠放置的各对晶圆施加温度压力进行晶圆热压键合。