CN110690138A - 晶圆键合设备以及使用其的晶圆键合系统 - Google Patents

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Abstract

提供了晶圆键合设备以及使用其的晶圆键合系统，所述晶圆键合设备包括：第一键合卡盘，将第一晶圆固定在第一键合卡盘的第一表面上；第二键合卡盘，将第二晶圆固定在第二键合卡盘的面对第一表面的第二表面上；键合起始构件，位于第一键合卡盘的中心处以将第一晶圆推向第二表面；以及膜构件，包括从第二表面的中心部分朝向第一表面突出的突起以及在围绕中心部分的外部区域上限定突起的平面部分。

Description

晶圆键合设备以及使用其的晶圆键合系统
于2018年7月6日在韩国知识产权局提交的且名称为“晶圆键合设备以及使用其的晶圆键合系统”的第10-2018-0078931号韩国专利申请通过引用全部包含于此。
技术领域
实施例涉及一种晶圆键合设备以及一种使用该晶圆键合设备的晶圆键合系统，更具体地，涉及一种能够在晶圆对晶圆键合工艺中改善键合精度的晶圆键合设备以及一种使用该晶圆键合设备的晶圆键合系统。
背景技术
在制造半导体器件的工艺中，可执行晶圆键合工艺，即，对两个晶圆进行键合。这样的晶圆键合工艺可用于改善半导体器件中的半导体芯片的密度。例如，具有半导体芯片被堆叠的结构的半导体模块使半导体芯片之间的布线长度减小，使得可以以高速来处理信号同时也增大了半导体芯片的密度。当制造具有堆叠的半导体芯片结构的半导体模块时，与对分开的多个半导体芯片进行键合的键合操作相比，在以晶圆为单位执行键合工艺之后以堆叠的半导体芯片为单位切割晶圆可具有更高的生产率。可在晶圆对晶圆的键合方法(即，两个晶圆彼此之间直接键合而没有介入附加的媒介)中执行晶圆键合工艺。通常可通过使用晶圆键合设备来执行晶圆对晶圆的键合方法，所述晶圆键合设备包括其上布置且固定晶圆的键合卡盘以及用于使晶圆接触的元件。
发明内容
根据一方面，提供了一种晶圆键合设备，所述晶圆键合设备包括：第一键合卡盘，将第一晶圆固定在第一键合卡盘的第一表面上；第二键合卡盘，将第二晶圆固定在第二键合卡盘的面对第一表面的第二表面上；键合起始构件，位于第一键合卡盘的中心处，以将第一晶圆推向第二表面；以及膜构件，包括从第二表面的中心部分朝向第一表面突出的突起以及在围绕第二表面的中心部分的外部区域上限定突起的平面部分。
根据一方面，提供了一种晶圆键合设备，所述晶圆键合设备包括：第一键合卡盘，将第一晶圆固定在第一键合卡盘的第一表面上；第二键合卡盘，将第二晶圆固定在第二键合卡盘的面对第一表面的第二表面上；键合起始构件，位于第一键合卡盘的中心处，以将第一晶圆推向第二表面；孔径光阑，用作第二键合卡盘的第二表面；以及膜构件，包括在朝向第一表面的方向上从孔径光阑的开口部分突出的突起以及位于孔径光阑的闭合部分中的平面部分。
根据一方面，提供了一种晶圆键合系统，所述晶圆键合系统包括：第一键合卡盘，将布置在第一键合卡盘的第一表面上的第一晶圆固定；第二键合卡盘，将第二晶圆固定在第二键合卡盘的面对第一表面的第二表面上；键合起始构件，位于第一键合卡盘的中心处，以将第一晶圆推向第二表面；膜构件，包括从第二表面的中心部分朝向第一表面突出的突起以及在围绕第二表面的中心部分的外部区域上限定突起的平面部分；传感器，与第一键合卡盘和第二键合卡盘分隔开以测量第一晶圆的键合传播距离；以及控制器，根据键合传播距离来控制膜构件的形状。
附图说明
通过参照附图详细地描述示例性实施例，特征对于本领域技术人员来说将变得明显，在附图中：
图1至图4示出根据实施例的晶圆键合设备的图；
图5至图7示出根据实施例的在晶圆键合设备中执行晶圆键合工艺的工艺中的阶段的剖视图；
图8和图9示出根据实施例的晶圆键合设备的图；
图10至图12C示出根据实施例的晶圆键合设备的图；
图13A至图13C示出显示在没有变形补偿情况下关于晶圆键合设备中的第一晶圆和第二晶圆的相对变形的平面图；
图14示出显示根据实施例的晶圆键合设备中的第一晶圆和第二晶圆的相对变形的曲线图；以及
图15示出根据实施例的晶圆键合的方法的流程图。
具体实施方式
以下，将参照附图来详细描述一个或更多个实施例。
图1至图4示出根据实施例的晶圆键合设备10的图。参照图1至图4，根据实施例的晶圆键合设备10可包括腔室100、第一键合卡盘110、第二键合卡盘120、键合起始构件130、膜构件140和传感器单元410。具体地，图1是晶圆键合设备10的剖视图；图2是第一键合卡盘110的平面图；图3A和图3B是第二键合卡盘120的透视图；图4是传感器单元410的透视图。
腔室100可以是围绕第一键合卡盘110和第二键合卡盘120的外壳。例如，腔室100可由铝制成并且可具有腔室100的处于真空压力或大气压力下的内部空间。腔室100可保护第一键合卡盘110上的第一晶圆210和第二键合卡盘120上的第二晶圆220免受外部环境影响。
用作键合目标的第一晶圆210布置且固定在可被称为上卡盘的第一键合卡盘110上。例如，第一键合卡盘110可由铝和陶瓷的组合制成。第一键合卡盘110的表面(即，第一表面FS1)面向下(即，面对第二键合卡盘120)，真空凹进112可形成在第一表面FS1中。真空凹进112可具有圆环形状，并且可包括形成在第一表面FS1的中心区域中的内真空凹进112in以及形成在第一表面FS1的外部区域中的外真空凹进112out。可选择地，真空凹进112可自由形成而没有任何种类的规则或者可具有椭圆形形状或多边形形状。还可选择地，可仅使用一个真空凹进112或者三个或更多个真空凹进112。
真空凹进112可经由第一键合卡盘110中的内管道以及第一键合卡盘110的外部部分上的外管道连接到真空泵310。在一些实施例中，内真空凹进112in和外真空凹进112out可经由内管道彼此连接并且可一起连接到真空泵310。可选择地，内真空凹进112in和外真空凹进112out可不彼此连接并且可单独地连接到真空泵310。当真空泵310操作并且真空凹进112执行真空抽吸操作时，第一晶圆210可被吸附并且固定到第一键合卡盘110的第一表面FS1上。
第二键合卡盘120是作为键合目标的第二晶圆220被布置并且固定到其的结构，并且可被称为下卡盘。例如，与第一键合卡盘110一样，第二键合卡盘120可由铝和陶瓷的组合制成。第二键合卡盘120可与第一键合卡盘110分隔开预定距离以面对第一键合卡盘110。第二键合卡盘120的上表面(即，第二表面FS2)可面对第一表面FS1，第二晶圆220可被布置并且固定到第二键合卡盘120的第二表面FS2上。
第二晶圆220可以以各种方式固定到第二键合卡盘120。在一些实施例中，第二键合卡盘120可包括与第一键合卡盘110的真空凹进相似的真空凹进，第二键合卡盘120可使用真空凹进而经由真空抽吸来固定第二晶圆220。在一些其它实施例中，第二键合卡盘120可通过使用静电力(例如，静电卡盘)来固定第二晶圆220。在一些其它实施例中，第二键合卡盘120可通过使用物理固定装置(例如，举升销、固定器等)来固定第二晶圆220。另外，第一键合卡盘110也可以是静电卡盘。
键合起始构件130可穿透第一键合卡盘110的中心。键合起始构件130示出为拉长的圆柱形杆状，但这是考虑到键合起始构件130的功能方面的简化的形状并且可使用可替换的形状。
键合起始构件130可按压固定在第一键合卡盘110的第一表面FS1上的第一晶圆210的中心，以朝向第二键合卡盘120的第二表面FS2向下地移动第一晶圆210。因此，使第一晶圆210和第二晶圆220键合始于它们的中心部分，然后，键合可传播到它们的外部区域。随着键合传播，第一晶圆210可与第一键合卡盘110的第一表面FS1顺序地隔离(例如，分离)，第一晶圆210的隔离可在与键合的传播相似的时间从第一晶圆210的中心部分传播到外部区域。
在一些实施例中，在将第一晶圆210键合到第二晶圆220之前，首先需要停止第一晶圆210的通过内真空凹进112in的真空抽吸。当保持真空抽吸时，第一晶圆210的键合和/或隔离的传播会在内真空凹进112in周围停止。在一些其它实施例中，当第一晶圆210与第二晶圆220之间的键合力大于由于真空抽吸而致的吸附力时，即使保持第一晶圆210的真空抽吸，键合的传播也不会停止，而可连续地进行。
为了使第二键合卡盘120上的第二晶圆220变形，膜构件140可与第二表面FS2相邻。下面将简要地描述使膜构件140的形状变形的工艺。
首先，膜构件140可在准备从第二键合卡盘120吸附第二晶圆220的状态(例如，如图3A中示出的平坦形状)下开始。可将第二晶圆220布置且固定到模构件140上，膜构件140在第二键合卡盘120中是平坦的。在一些实施例中，真空泵310可连接到与第一键合卡盘110相似的第二键合卡盘120并且可用于用真空压力来固定第二晶圆220。
接下来，可向空洞部分122(即，模构件140的面对上表面(与晶圆接触的表面)的下表面与第二键合卡盘120之间的空的空间)施加由空气泵320提供的气动压力。因此，如图3B中所示，模构件140具有位于其中心部分处的突起140a以及位于其外部区域处的平面部分140b。可沿膜构件140的形状共形地布置第二晶圆220。
换句话说，膜构件140可包括在朝向第一表面FS1的方向上从其中心部分突出的突起140a以及在围绕其中心部分的外部区域处限定突起140a的平面部分140b。膜构件140可具有在其中心部分与外部区域之间变化的厚度。因此，可将压差施加到膜构件140的中心部分和外部区域。
膜构件140中的突起140a的厚度140aT可小于平面部分140b的厚度140bT。在一些实施例中，突起140a的厚度140aT在其中心处是最小的并且朝向外围逐渐地增大。另外，平面部分140b的厚度140bT无论位置如何仍可以是基本恒定的。例如，膜构件140可包括柔性材料。
由于由空气泵320提供的气动压力，膜构件140的突起140a可形成为在突出方向上具有预定半径的半球形表面。另外，半球形表面的预定半径可根据由空气泵320提供的气动压力的变化而改变。
连接到空气泵320的空气管124可与第二键合卡盘120的空洞部分122连通。空洞部分122中的压力可通过控制器430来控制。膜构件140的形状可根据空洞部分122的压力而变形。当空洞部分122的压力高时，半球形表面的半径可增大。当空洞部分122的压力低时，半球形表面的半径可减小。另外，膜构件140可具有另一形状。
因此，突起140a的形状可由于由空气泵320提供的气动压力而变形。如上所述，由于可改变膜构件140的形状，因此也可改变沿膜构件140的形状共形地布置的第二晶圆220的形状。因此，根据实施例的晶圆键合设备10可提供能够改善第一晶圆210与第二晶圆220之间的键合精度的轮廓。
在晶圆对晶圆键合工艺期间，与在外部区域上的变形相比，第一晶圆210的形状可在其中心部分处变形得大。因此，如上所述，第二晶圆220的形状可被调整为使第二晶圆220变形以补偿第一晶圆210的变形。因此，可改善晶圆的键合精度并且可减少在完成晶圆键合时的误差。
第一晶圆210和第二晶圆220可均包括其上布置半导体器件的有效表面以及面对有效表面的非有效表面。有效表面可与第一晶圆210和第二晶圆220中的每个中的前侧表面对应，非有效表面可与第一晶圆210和第二晶圆220中的每个中的背侧表面对应。
在一些实施例中，第一晶圆210的非有效表面可接触第一键合卡盘110的第一表面FS1，第二晶圆220的非有效表面可接触第二键合卡盘120的第二表面FS2。可选择地，第一晶圆210的有效表面可接触第一键合卡盘110的第一表面FS1，第二晶圆220的有效表面可接触第二键合卡盘120的第二表面FS2。
第一晶圆210和第二晶圆220可包括例如硅。可选择地，第一晶圆210和第二晶圆220可包括例如锗的半导体元素或者诸如碳化硅(SiC)、砷化镓(GaAs)、砷化铟(InAs)或磷化铟(InP)的化合物半导体。
在本说明书中，假设的是第一晶圆210和第二晶圆220可均具有大约12英寸(300mm)的直径并且包括硅。可选择地，第一晶圆210和第二晶圆220可具有小于或大于上面的示例的直径，并且第一晶圆210和第二晶圆220可包括除了硅以外的其它材料。
在一些实施例中，第一晶圆210和第二晶圆220可均包括具有多个分开的器件的半导体器件层以及用于使多个分开的器件彼此电连接的布线结构层。多个分开的器件可均为易失性存储器和/或非易失性存储器。易失性存储器可以是例如动态随机存取存储器(DRAM)、静态RAM(SRAM)等，非易失性存储器可以是例如闪存、磁性RAM(MRAM)、相变RAM(PRAM)等。布线结构层可包括金属布线层和/或过孔插塞。布线结构层可具有多层结构，例如，交替地堆叠有两个或更多个金属布线层和/或者两个或更多个过孔插塞的结构。在一些其它实施例中，第一晶圆210和第二晶圆220可均包括逻辑芯片、片上系统(SOC)、专用集成电路(ASIC)、图像传感器芯片等。
例如，第一晶圆210可包括逻辑芯片，第二晶圆220可包括存储器芯片。可选择地，第一晶圆210可包括逻辑芯片，第二晶圆220可包括图像传感器芯片。
真空泵310可经由外管道和第一键合卡盘110中的内管道连接到真空凹进112。真空泵310可在真空凹进112中造成真空，使得真空凹进112真空吸附第一晶圆210。真空泵310可连接到控制器430以根据控制器430的控制来提供处于真空状态中的真空凹进112。来自真空泵310的真空供应可与通过真空凹进112的真空抽吸对应，来自真空泵310的真空供应的结束可与真空凹进112的真空抽吸的结束对应。
空气泵320可经由第二键合卡盘120和空气管124连接到空洞部分122。空气泵320使空洞部分122供应有气动压力以使膜构件140的形状变形。空气泵320可连接到控制器430以根据控制器430的控制而使空洞部分122提供有气动压力。
起始平移构件330可向上和向下移动键合起始构件130。起始平移构件330可连接到控制器430以在控制器430的控制下向上和向下移动键合起始构件130。起始平移构件330可包括能够向上和向下(例如，朝向第二键合卡盘和远离第二键合卡盘)移动键合起始构件130的各种类型的致动器。另外，与起始平移构件330相似的卡盘平移构件350可连接到第一键合卡盘110和/或第二键合卡盘120并且可在控制器430的控制下使第一键合卡盘110和/或第二键合卡盘120向上和向下朝向彼此移动。如这里所示出的，卡盘平移构件350仅连接到第二键合卡盘120。
传感器单元410可与第一键合卡盘110和第二键合卡盘120分隔开，并且可布置在腔室100的侧面处。这里，传感器单元410可以是三维地感测第一晶圆210的整个部分的物理变化的三维(3D)传感器。
传感器单元410可包括例如红外传感器、超声传感器和激光传感器中的至少一种。红外传感器、超声传感器和激光传感器可根据它们传输和检测以确定物理变化的波的类型(例如，红外光、超声波或可见光)来分类。超声传感器表现优异的耐久性、稳定的操作而没有偏差以及快速且灵敏的反应。上述的传感器的原理是本领域公知的，因此，省略它们的详细描述。
根据实施例的晶圆键合设备10的传感器单元410可感测当第一晶圆210完全地附着到第一键合卡盘110时第一晶圆210从第一表面FS1突出的状态。例如，传感器单元410可从各种角度测量第一晶圆210的从第一键合卡盘110的第一表面FS1的突起以获得准确的结果。
下面将描述根据实施例的晶圆键合设备10中的晶圆键合状态的检测。首先，可将第一晶圆210和第二晶圆220分别布置且固定到第一键合卡盘110和第二键合卡盘120上。接下来，通过键合起始构件130向下按压第一晶圆210的中心。然后，可以开始键合到第二晶圆220的中心部分。接下来，键合的传播进行到第一晶圆210和第二晶圆220的外部区域，这样的传播可通过传感器单元410来感测。由于传感器单元410测量键合的传播且这个测量是与预定的规则相比，因此可如下所述地确定晶圆键合状态的精度。
在晶圆键合期间，第一晶圆210和第二晶圆220之间的键合的进展通过多个传感器单元410来三维地感测。因此，可准确地测量第一晶圆210和第二晶圆220之间的键合状态。另外，当晶圆键合状态的精度劣化时，可通过多个传感器单元410来准确地检测晶圆变形发生的位置。
如图4中所示，至少三个测量区域DA1、DA2和DA3可设置在第一键合卡盘110的第一表面FS1上的第一晶圆210上。另外，三个传感器单元(例如，第一传感器单元411、第二传感器单元412和第三传感器单元413)可与三个测量区域DA1、DA2和DA3对应地定位。
例如，在第一晶圆210的外侧面上，第一传感器单元411与第一测量区域DA1对应，第一测量区域DA1包括用于使第一晶圆210对准的对准特征212(例如，凹口)，第二传感器单元412可与沿顺时针方向从第一测量区域DA1旋转45°的第二测量区域DA2对应，第三传感器单元413可与沿顺时针方向从第二测量区域DA2旋转45°的第三测量区域DA3对应。三个测量区域DA1、DA2和DA3可沿第一晶圆210的外周布置。可选择地，三个传感器单元(即，第一传感器单元411、第二传感器单元412和第三传感器单元413)可布置在用于测量三个测量区域DA1、DA2和DA3的位置处，例如，可沿具有大于第一晶圆210的直径的直径的虚拟圆来布置。还可选择地，可设置四个或更多个测量区域以及相应的四个或更多个传感器单元410。
因为第一晶圆210如上所述包括硅而且硅是具有晶向的材料，并且第一晶圆210也可具有晶向，所以三个测量区域DA1、DA2和DA3如上所述彼此分隔开大约45°角。更详细地，用于使第一晶圆210对准的对准特征212的方向可与晶向[110]对应。晶向[100]或[010]可布置在与晶向[110]成45°角的位置处。根据晶向，第一晶圆210中的变形的程度可改变。因此，为了准确地测量变形，三个测量区域DA1、DA2和DA3可彼此分隔开大约45°角。
与三个测量区域DA1、DA2和DA3对应的三个传感器单元(即，第一传感器单元411、第二传感器单元412和第三传感器单元413)可鉴于时间和/或位置来测量是第一晶圆210与第二晶圆220之间的键合的传播还是第一晶圆210与第一键合卡盘110的第一表面FS1的隔离的传播被精确地执行。
根据实施例的晶圆键合设备10，晶圆键合状态和晶圆的变形位置可通过多个传感器单元410来精确地检测。因此，可在晶圆键合工艺中精确地执行晶圆键合设备10的操作，并且可改善晶圆键合工艺的精度。
数据处理器420分析通过传感器单元410测量的数据以确定第一晶圆210与第二晶圆220之间的键合是否被精确地传播。详细地，当传感器单元410在设定时间点测量来自三个测量区域DA1、DA2和DA3的压力变化、电气变化和/或距离变化之后传输数据时，数据处理器420可基于测量数据确定是否传播第一晶圆210与第二晶圆220之间的键合。
数据处理器420可根据时间和位置来适当地设定测量区域。另外，数据处理器420可通过分析来自传感器单元410的测量数据来检测晶圆的变形位置。例如，数据处理器420根据时间和位置来记录并分析键合传播状态并且将记录的结果与第一晶圆210和/或第二晶圆220的位置以及/或者晶圆变形相匹配，以在晶圆键合工艺中精确地检测晶圆的变形位置。另外，数据处理器420连接到控制器430，控制器430可根据数据处理器420的结果来直接控制晶圆键合设备10。
控制器430可电连接到晶圆键合设备10中的每个组件，并且可控制每个组件的总体操作。例如，控制器430可被实施为能够将移动控制信号施加到键合起始构件130和起始平移构件330、将真空控制信号施加到真空泵310并且将气动压力控制信号施加到空气泵320的一种电路、电子组件、微处理器或程序。另外，控制器430可电连接到传感器单元410以控制传感器单元410的操作并且可根据数据处理器420的结果来直接控制晶圆键合设备10。
图5至图7是根据实施例的用于描述在晶圆键合设备10中执行晶圆键合工艺的工艺的剖视图。如上面参照图1至图4所述，可通过第一键合卡盘110的第一表面FS1来真空抽吸并固定第一晶圆210。另外，可将第二晶圆220布置且固定到第二键合卡盘120的第二表面FS2上。可在膜构件140上执行将第二晶圆220固定到第二键合卡盘120。
参照图5，通过键合起始构件130向下按压第一晶圆210的中心。因此，可使第一晶圆210的中心部分与第一键合卡盘110的第一表面FS1隔离。
第一晶圆210的与第一键合卡盘110的第一表面FS1的隔离距离可根据内真空凹进112in的位置来改变。例如，当内真空凹进112in设置在相对靠近第一晶圆210的中心部分的位置处时，第一晶圆210的隔离距离相对小。当内真空凹进112in设置在相对远离第一晶圆210的中心部分的位置处时，第一晶圆210的隔离距离可相对大。由于来自内真空凹进112in的真空抽吸干扰第一晶圆210与第一键合卡盘110的第一表面FS1的隔离，因此键合起始构件130的加压根据内真空凹进112in的位置而被限制于不损坏第一晶圆210的范围。另外，当内真空凹进112in形成在相对远离第一晶圆210的中心部分的位置处时，第一晶圆210的中心部分可由于键合起始构件130的加压而与第二晶圆220的中心部分接触并且可直接开始实质的键合操作。
第二键合卡盘120可由于卡盘平移构件350而在上下方向上(例如，朝向和远离第一键合卡盘110)移动。在第二晶圆220根据位于第二键合卡盘120的第二表面FS2上的膜构件140的形状而共形地变形之后，第二键合卡盘120可朝向第一键合卡盘110移动并且可开始实质的键合操作。
如上所述，膜构件140可包括在朝向第一表面FS1的方向上从其中心部分突出的突起140a以及在围绕中心部分的外部区域处限定突起140a的平面部分140b。另外，膜构件140可包括柔性材料。因此，可增大第一晶圆210的中心部分与第二晶圆220的中心部分之间的接触面积。因此，可与第一晶圆210的变形相似地控制第二晶圆220的变形，例如，可补偿第一晶圆210的变形。因此，可改善晶圆对晶圆键合的精度并且可充分地执行键合。
参照图6，在键合起始构件130的加压之后，停止内真空凹进112in的真空抽吸。因此，第一晶圆210与第二晶圆220之间的键合可从第一晶圆210的中心部分传播到其外部区域。
第一晶圆210与第二晶圆220之间的键合的传播可跟随第一晶圆210的中心部分与第一键合卡盘110的第一表面FS1的隔离传播到第一晶圆210的外部区域。例如，绝缘层之间的键合通常被称为直接键合，而在直接键合中，第一晶圆210可通过自发的键合力与第一键合卡盘110隔离并且该隔离可从中心部分传播到外部区域。在一些其它实施例中，当静电卡盘被用作第一键合卡盘110时，在保持静电力的状态下执行键合起始构件130的加压操作，然后可自发地执行第一晶圆210与第一键合卡盘110的隔离。
另外，当键合因为内真空凹进112in靠近第一晶圆210的中心部分而不会根据键合起始构件130的加压而开始时，在停止内真空凹进112in的真空抽吸之后进一步执行键合起始构件130的加压以开始键合操作。然后，可进行第一晶圆210和第二晶圆220的键合的传播。
第二晶圆220的与膜构件140的突起140a接触的中心部分可键合到第一晶圆210的中心部分。然而，在这种情况下，第二晶圆220的与膜构件140的平面部分140b接触的外部区域可仍然与第一晶圆210的外部区域分隔开，可不执行第一晶圆210与第二晶圆220之间的键合。
参照图7，当第一晶圆210与第二晶圆220之间的键合的传播到达第一晶圆210和第二晶圆220的外部区域时，第一键合卡盘110的外真空凹进112out停止真空抽吸。因此，也停止第二键合卡盘120的抽吸。由于来自第一键合卡盘110的外真空凹进112out以及来自第二键合卡盘120的真空抽吸的结束，第一晶圆210和第二晶圆220的外部区域彼此键合，可完成第一晶圆210与第二晶圆220之间的键合。
完成第一晶圆210与第二晶圆220之间的键合的传播可指第一晶圆210与第二晶圆220之间的键合工艺的完成。另外，完成第一晶圆210与第二晶圆220之间的键合的传播可和第一晶圆210与第一键合卡盘110的第一表面FS1的隔离(例如，完全分离)以及第二晶圆220与第二键合卡盘120的第二表面FS2的隔离(例如，完全分离)相符。在一些实施例中，可在键合的传播达到第一晶圆210和第二晶圆220的外部区域之前执行来自外真空凹进112out的真空抽吸的结束。
通常，当以晶圆对晶圆键合方法使晶圆键合时，与第二晶圆220相比，第一晶圆210可在横向方向上相对更多地被拉伸。因为第一晶圆210在第一晶圆210与第二晶圆220分离大约10nm至30nm的状态下通过使用OH-官能团键合到第二晶圆220，所以第一晶圆210比第二晶圆220相对更多地被拉伸。因此，第一晶圆210在第一晶圆210的上表面轻微地被拉伸的状态下键合到第二晶圆220的上表面。当上述的现象重复地发生时，与第二晶圆220相比，第一晶圆210在被拉伸的状态下附着。因此，会在第一晶圆210的边缘周围发生大约1μm的未对准。
为了对此进行处理，在根据实施例的晶圆键合设备10中，膜构件140具有突起140a和平面部分140b的组合形状。因此，第一晶圆210的外部区域和第二晶圆220的外部区域经由沿着膜构件140的形状共形地布置的第二晶圆220而同时键合。因此，可改善第一晶圆210的边缘周围的未对准。另外，膜构件140的形状可通过控制器430来控制，并因此可根据晶圆的翘曲特性来单独地应用。
图8和图9是根据实施例的晶圆键合设备20的图。包括在晶圆键合设备20中的组件以及每个组件的功能与参照图1至图4提供的上面的描述相似或相同，因此，下面将描述不同之处。
参照图8和图9，为了吸附第二晶圆220，膜构件142可被布置为第二键合卡盘120中的第二表面FS2。图8示出了晶圆键合设备20的剖视图，图9示出了膜构件142的透视图。
膜构件142可包括位于其中心部分处的突起142a以及位于其外部区域处的平面部分142b。可沿膜构件142的形状共形地布置第二晶圆220。如这里所使用的，共形不需要第二晶圆220遵循膜构件142的准确轮廓，而是第二晶圆220维持膜构件142的方位和角度。
换句话说，第二晶圆220布置且固定到包括突起142a的膜构件142上。真空泵310可连接到与第一键合卡盘110相似的第二键合卡盘120，并且可用于固定第二晶圆220。膜构件142可包括刚性材料。
膜构件142可具有根据其中心部分和外部区域而改变的厚度。详细地，膜构件142可包括在朝向第一表面FS1的方向上从其中心部分突出的突起142a以及在围绕中心部分的外部区域处限定突起142a的平面部分142b。膜构件142中的突起142a的厚度142aT可大于平面部分142b的厚度142bT。具体地，突起142a的最大厚度142aT可不连续地减小(例如，以阶梯方式减小)直到平面部分142b的厚度142bT。例如，膜构件142可包括刚性材料。
在一些实施例中，膜构件142的突起142a可被设置为例如具有相等的台阶高度的阶梯型的截头锥。突起142a的在突出方向上的长度可根据阶梯型的截头锥中的台阶的数量来确定。可选择地，膜构件142可具有膜构件的另一形状。
具体地，膜构件142可经由替换来改变，例如，可根据需要被换掉。如上所述，由于可改变膜构件142的形状，因此也可改变沿膜构件142的形状共形地布置的第二晶圆220的形状。因此，根据实施例的晶圆键合设备20可提供能够改善第一晶圆210与第二晶圆220之间的键合精度的轮廓。
在晶圆对晶圆键合工艺中，与在外部区域上的变形相比，第一晶圆210的形状可在其中心部分处变形得大。因此，第二晶圆220的形状可被调整为使第二晶圆220变形以补偿这个变形。因此，可改善晶圆的键合精度，并且可减小在完成晶圆键合之后的工艺中的变形。
图10至图12C示出根据实施例的晶圆键合设备30的图。包括在晶圆键合设备30中的组件以及每个组件的功能与参照图1至图4提供的上面的描述相似或相同，因此，下面将描述不同之处。
参照图10至图12C，孔径光阑126可布置在膜构件144上，同时形成用于从第二键合卡盘120抽吸第二晶圆220的第二表面FS2。
孔径光阑126可用作第二表面FS2以吸附第二键合卡盘120上的第二晶圆220。膜构件144可包括在朝向第一表面FS1的方向上从孔径光阑126的开口部分突出的突起144a以及位于孔径光阑126的闭合部分中并位于孔径光阑126下方的平面部分144b，使得第二晶圆220的外部区域与孔径光阑126而不是平面部分144b接触。
下面将简要描述使膜构件144的形状变形的工艺。首先，膜构件144可通过从第二键合卡盘120吸附第二晶圆220(例如，平坦形状)开始。可将第二晶圆220布置并且固定到平坦的平坦膜构件144上。
接下来，可将由空气泵320提供的气动压力施加到空洞部分122，空洞部分122是位于膜构件144的下表面下方的空的空间。因此，膜构件144具有来自孔径光阑126的开口部分的突起144a以及位于孔径光阑126的闭合部分处的平面部分144b。突起144a的宽度144aW(图11)可根据孔径光阑126的开口率而与孔径光阑126中的开口部分的宽度126aW、126bW或126cW(图12A至图12C)基本相同。可沿膜构件144的形状和孔径光阑126的形状共形地布置第二晶圆220。
膜构件144的厚度可遍及其整个表面是基本恒定的。即，膜构件144中的突起144a的厚度144aT可与平面部分144b的厚度144bT基本相等。膜构件144可包括柔性材料。由于由空气泵320提供的气动压力，膜构件144的突起144a可形成为在突出方向上具有预定半径的半球形表面。
半球形表面的预定半径可根据由空气泵320提供的气动压力和/或孔径光阑126的开口率的变化来改变。例如，连接到空气泵320的空气管124与第二键合卡盘120的空洞部分122连通，空洞部分122中的压力可通过控制器430来控制。膜构件144的形状可根据空洞部分122的压力而变形。当空洞部分122的压力高时，半球形表面的半径可增大。另一方面，当空洞部分122的压力低时，半球形表面的半径可减小。
例如，如图12A至图12C中所示，为调整膜构件144的突起144a，孔径光阑126可根据控制器430的控制而通过恒定比率来增大或减小孔径光阑126的开口率。膜构件144的形状可根据孔径光阑126的开口率而变形。当孔径光阑126的开口率增大时，即，当孔径光阑126的开口部分的宽度126cW增大时，突起144a的宽度144aW也可增大。相反，当孔径光阑126的开口率减小时，即，孔径光阑126的开口部分的宽度126aW减小时，突起144a的宽度144aW也可减小。另外，孔径光阑126可通过恒定比率来增大或减小开口率，可均匀地调整膜构件144的被孔径光阑126暴露的突起144a的宽度144aW。
驱动孔径光阑126的马达可以是，例如，能够逐步调整开口率的步进式马达。马达可使来自孔径光阑126的外部部分的齿轮旋转。当孔径光阑126通过马达沿顺时针方向或逆时针方向旋转时，孔径光阑126可逐渐敞开或闭合。驱动孔径光阑126的原理是本领域公知的，因此，省略其详细的描述。
因此，膜构件144中的突起144a的形状可根据由空气泵320提供的气动压力和/或孔径光阑126的开口率的变化来改变。如上所述，由于可改变膜构件144的形状，因此也可改变沿膜构件144的形状共形地布置的第二晶圆220的形状。因此，根据实施例的晶圆键合设备30可提供能够改善第一晶圆210与第二晶圆220之间的键合精度的轮廓。
图13A至图13C是示出在没有采用变形补偿时晶圆键合设备中的第一晶圆和第二晶圆上的相对变形的平面图。参照图13A至图13C，第一晶圆210的变形力可通过箭头214来表示，为了便于描述，可如图13A至图13C中所示地夸大在完成第一晶圆210与第二晶圆220之间的键合之后的变形。
如图13A中所示，箭头214的长度可与第一晶圆210的变形力的幅值对应。如上所述，第一晶圆210可包括硅，由于硅具有晶向，因此第一晶圆210也可根据硅而具有晶向。第一晶圆210可包括用于对准的对准特征212。另外，第二晶圆220也可具有用于对准的诸如凹口的对准特征222，对准特征222与第一晶圆210的对准特征212匹配，对准特征212和222可在相同方向上彼此对准。
第一晶圆210中的对准特征212的方向可与晶向[110]对应。晶向[100]或[010]可布置在与晶向[110]成45°角处。晶向[110]中的变形力可小于晶向[100]和[010]中的变形力。因此，晶向[110]可比晶向[100]和[010]更少地变形。
当键合起始构件130从第一键合卡盘110推动第一晶圆210时，如图13B中所示，第一晶圆210可立即变形为与正方形形状相似。这里，第二晶圆220可保持圆形形状。当第二晶圆220完全键合到第一晶圆210时，第一晶圆210可与第一键合卡盘110隔离。
在完成第一晶圆210与第二晶圆220之间的键合之后，当对第二晶圆220的非有效表面进行部分地抛光时，第一晶圆210可恢复成圆形形状。这可能是因为被抛光的第二晶圆220可具有比未被抛光的第一晶圆210的厚度小的厚度。被抛光的第二晶圆220可变形为与正方形形状相似。因此，如图13C中所示，被抛光的第二晶圆220的正方形形状可关于未被抛光的第一晶圆210的正方形形状布置在对角线方向上。
如上所述，在根据现有技术的晶圆键合设备中键合晶圆的期间和之后，会发生第一晶圆210和第二晶圆220的关于彼此的不同的变形。因此，需要一种能够通过预测并反映第一晶圆210和第二晶圆220的相对变形来精确地执行第一晶圆210与第二晶圆220之间的键合的晶圆键合设备。
图14是显示根据实施例的晶圆键合设备中的第一晶圆210和第二晶圆220中的相对变形的曲线图。参照图14，测量了第一晶圆210和第二晶圆220中的每个的在远离第一晶圆210和第二晶圆220的中心部分的方向上的拉伸程度(横向变形)。
如上所述，当根据晶圆对晶圆键合方法使晶圆键合时，与第二晶圆220相比，可在横向方向上相对更多地拉伸第一晶圆210。换句话说，第一晶圆210的横向变形可大于第二晶圆220的横向变形。
认识到的是，因为第一晶圆210和第二晶圆220在第一晶圆210和第二晶圆220彼此分离大约10nm至大约30nm的状态下经由OH-连接来键合，所以与第二晶圆220相比，第一晶圆210的横向变形相对大，并且第一晶圆210的有效表面在被轻微拉伸的状态下键合到第二晶圆220的有效表面。当上述的现象重复地发生并且执行键合时，第一晶圆210可在拉伸状态下附着到第二晶圆220，可在第一晶圆210的边缘周围产生大约1μm的横向变形，因此第一晶圆210和第二晶圆220会彼此未对准。
为了对此进行处理，在根据实施例的晶圆键合设备10、20或30中，第二晶圆220固定到其的膜构件140、142或144具有突起140a、142a或144a和平面部分140b、142b或144b的组合形状以处理第一晶圆210与第二晶圆220之间的未对准。
在附图中，第一晶圆210和第二晶圆220可均具有大约12英寸(300mm)的直径，第一晶圆210和第二晶圆220中的每个的从其中心部分到外部区域的横向变形被测量并示出在图14的曲线图中。
作为测量结果，第一晶圆210的横向变形从其中心部分慢慢地增大至大约80mm并且未从大约80mm增大。另外，第二晶圆220的横向变形从其中心部分线性地增大至大约80mm并且未从大约80mm增大。即，第一晶圆210和第二晶圆220中的每个中的中心部分的横向变形相对大，第一晶圆210和第二晶圆220的外部区域的横向变形相对小。
当对上述的第一晶圆210和第二晶圆220的所测量的横向变形进行分析时，第一晶圆210和第二晶圆220的横向变形在显著的水平(误差范围大约2.5ppm)彼此相同。因此，可期望改善根据实施例的晶圆键合设备10、20或30的键合精度。
图15示出根据实施例的在晶圆键合系统1000中执行的工艺的流程图。通过晶圆键合设备10执行的晶圆键合工艺与参照图5至图7提供的上面的描述相似或相同，因此，下面将描述晶圆键合系统1000中的数据处理的工艺。
参照图1和图15，根据实施例的晶圆键合系统1000包括使用传感器单元410来测量键合传播距离(S10)，将关于测量的键合传播距离的第一数据传输到数据处理器420(S20)，通过使用数据处理器420而基于第一数据来产生用于反馈回到调整膜构件140的形状中的第二数据(S30)以及通过使用控制器430而基于第二数据来调整膜构件140的形状(S40)。
如上所述，传感器单元410可布置在腔室100的侧表面上以与第一键合卡盘110分隔开。这里，传感器单元410可表示三维地感测整体的第一晶圆210的物理变化的三维(3D)传感器。
通过使用传感器单元410测量键合传播距离的步骤(S10)可包括测量根据第一晶圆210的种类而改变的键合传播距离，例如，晶圆包括逻辑芯片、SOC、ASIC、图像传感器芯片等。为此，传感器单元410可感测第一晶圆210的与第一键合卡盘110的第一表面FS1隔离的部分。
将关于第一晶圆210的测量的键合传播距离的第一数据传输到数据处理器420的步骤(S20)可包括将第一数据作为电信号传输到数据处理器420以将第一数据存储在数据处理器420中并分析数据处理器420中的第一数据。
在数据处理器420中基于第一数据来产生用于反馈回到调整膜构件140的形状中的第二数据的步骤(S30)可包括基于用于分析由空气泵320提供的气动压力的数据、关于膜构件140的厚度的数据和/或关于孔径光阑126的开口率的数据来产生用于调整第二晶圆220的变形的第二数据。
通过使用控制器430而基于第二数据调整膜构件140的形状的步骤(S40)可经由控制器430来控制膜构件140的突起140a。如上所述，由空气泵320提供的气动压力导致的压差被施加到膜构件140的下表面。因此，膜构件140可包括位于其中心处的突起140a和位于其外部区域处的平面部分140b。另外，可沿膜构件140的形状共形地布置第二晶圆220。
因此，当控制器430基于第二数据来调整膜构件140的形状时，可因此控制第二晶圆220的变形。因此，根据实施例的晶圆键合系统1000可改善第一晶圆210与第二晶圆220之间的键合精度。
一个或更多个实施例提供了能够在晶圆键合工艺中改善晶圆键合精度并且精确地测量和控制晶圆键合状态的晶圆键合设备、系统以及方法。
这里已经讨论了示例实施例，虽然采用了特定术语，但是它们仅以一般性和说明性的含义来使用和解释而不出于限制的目的。在某些情况下，除非另外特别指示，否则如自提交本申请起对于本领域技术人员来说将明显的是，结合具体实施例描述的特征、特性和/或元件可单独使用或者可与结合其它实施例描述的特征、特性和/或元件组合使用。因此，本领域技术人员将理解的是，在不脱离如在权利要求中阐述的本发明的精神和范围的情况下，可作出形式和细节上的各种改变。

Claims (25)

1.一种晶圆键合设备，所述晶圆键合设备包括：
第一键合卡盘，将布置在第一键合卡盘的第一表面上的第一晶圆固定；
第二键合卡盘，将第二晶圆固定在第二键合卡盘的面对第一表面的第二表面上；
键合起始构件，位于第一键合卡盘的中心处，以将第一晶圆推向第二表面；以及
膜构件，具有从第二表面的中心部分朝向第一表面突出的突起以及在围绕第二表面的中心部分的外部区域中限定突起的平面部分。
2.如权利要求1所述的晶圆键合设备，其中，膜构件的突起的厚度小于平面部分的厚度，并且膜构件包括柔性材料。
3.如权利要求2所述的晶圆键合设备，所述晶圆键合设备还包括将气动压力提供到膜构件的下表面的空气泵，膜构件的下表面面对膜构件的与第二晶圆接触的上表面，其中，膜构件的突起通过气动压力形成为在突出方向上具有预定半径的半球形表面。
4.如权利要求3所述的晶圆键合设备，其中，半球形表面的预定半径根据气动压力的变化而改变。
5.如权利要求1所述的晶圆键合设备，其中，膜构件的突起的厚度大于平面部分的厚度，并且膜构件包括刚性材料。
6.如权利要求5所述的晶圆键合设备，其中，膜构件的突起被设置为阶梯型的截头锥。
7.如权利要求1所述的晶圆键合设备，其中，膜构件根据第一晶圆和第二晶圆的种类而能够以不同形状的膜构件替换。
8.如权利要求1所述的晶圆键合设备，其中，键合起始构件在朝向第二晶圆的方向上推动第一晶圆的中心以获得第一晶圆中的键合传播距离，并且膜构件推动第二晶圆以使第二晶圆从其中心部分朝向第一晶圆突出并且具有平坦的外部区域。
9.如权利要求8所述的晶圆键合设备，所述晶圆键合设备还包括与第一键合卡盘和第二键合卡盘分隔开以测量键合传播距离的传感器。
10.如权利要求9所述的晶圆键合设备，其中，所述传感器包括多个传感器，并且至少三个传感器被布置成以与第一晶圆中的对准特征对应的位置成45°的方位角彼此分隔开。
11.如权利要求1所述的晶圆键合设备，其中：
孔径光阑用作第二键合卡盘的第二表面，并且
突起在朝向第一表面的方向上从孔径光阑的开口部分突出并且平面部分位于孔径光阑的闭合部分中。
12.如权利要求11所述的晶圆键合设备，其中，膜构件的厚度遍及膜构件的整个表面是恒定的，并且膜构件包括柔性材料。
13.如权利要求12所述的晶圆键合设备，所述晶圆键合设备还包括将气动压力提供到膜构件的下表面的空气泵，膜构件的下表面面对膜构件的与第二晶圆接触的上表面，膜构件的突起通过气动压力形成为在突出方向上具有预定半径的半球形表面。
14.如权利要求13所述的晶圆键合设备，其中，半球形表面的预定半径根据气动压力和/或孔径光阑的开口率的变化而改变。
15.如权利要求11所述的晶圆键合设备，其中：
键合起始构件在朝向第二晶圆的方向上推动第一晶圆的中心以获得第一晶圆中的键合传播距离，
膜构件和孔径光阑推动第二晶圆以使第二晶圆具有朝向第一晶圆突出的中心部分并且具有平坦的外部区域。
16.一种晶圆键合系统，所述晶圆键合系统包括：
第一键合卡盘，将布置在第一键合卡盘的第一表面上的第一晶圆固定；
第二键合卡盘，将第二晶圆固定在第二键合卡盘的面对第一表面的第二表面上；
键合起始构件，位于第一键合卡盘的中心处以在朝向第二表面的方向上推动第一晶圆；
膜构件，包括从第二表面的中心部分朝向第一表面突出的突起以及在围绕第二表面的中心部分的外部区域上限定突起的平面部分；
传感器，与第一键合卡盘和第二键合卡盘分隔开以测量第一晶圆的键合传播距离；以及
控制器，根据键合传播距离来控制膜构件的形状。
17.如权利要求16所述的晶圆键合系统，其中，所述传感器包括红外传感器、超声传感器或者激光传感器，并且传感器通过根据第一晶圆与第一表面的隔离而对压力变化、电气变化以及距离变化中的至少一种进行感测来测量键合传播距离。
18.如权利要求17所述的晶圆键合系统，其中，所述传感器包括以与第一晶圆中的对准特征对应的位置成45°的方位角彼此分隔开的至少三个传感器。
19.如权利要求16所述的晶圆键合系统，所述晶圆键合系统还包括将气动压力经由第二键合卡盘提供到膜构件的下表面的空气泵，膜构件的下表面面对膜构件的与第二晶圆接触的上表面，并且膜构件的突起通过气动压力形成为在突出方向上具有预定半径的半球形表面。
20.如权利要求19所述的晶圆键合系统，其中，由空气泵输出的气动压力通过控制器来调整，并且半球形表面的预定半径根据气动压力的变化而改变。
21.如权利要求16所述的晶圆键合系统，其中，第二键合卡盘的第二表面包括孔径光阑，并且膜构件包括在朝向第一表面的方向上从孔径光阑的开口部分突出的突起以及位于孔径光阑的闭合部分中的平面部分。
22.如权利要求21所述的晶圆键合系统，所述晶圆键合系统还包括将气动压力经由第二键合卡盘提供到膜构件的下表面的空气泵，膜构件的下表面面对膜构件的与第二晶圆接触的上表面，并且膜构件的突起通过气动压力形成为在突出方向上具有预定半径的半球形表面。
23.如权利要求22所述的晶圆键合系统，其中，气动压力和/或孔径光阑的开口率的变化通过控制器来调整，并且半球形表面的预定半径根据气动压力和/或孔径光阑的开口率的变化而改变。
24.如权利要求16所述的晶圆键合系统，所述晶圆键合系统还包括根据第一晶圆的种类来接收关于通过传感器测量的键合传播距离的第一数据的数据处理器。
25.如权利要求24所述的晶圆键合系统，其中，数据处理器基于第一数据来产生用于反馈回关于调整膜构件的形状的第二数据。
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