CN111223812B - 一种晶圆键合加压装置及晶圆键合设备 - Google Patents

一种晶圆键合加压装置及晶圆键合设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种晶圆键合加压装置，所述晶圆键合加压装置包括压头及压头台座；所述压头台座朝向所述晶圆键合加压装置的置物台的表面上具有腔体，所述腔体的底面为弧形底面；所述压头为球形压头、椭球形压头或卵形压头；所述压头设置于所述腔体内部；所述压头可在所述腔体内滚动，且所述压头保持有部分处于腔体开口外侧。本发明提供的晶圆键合加压装置，在对晶圆加压的过程中，由于上述底面对上述压头的力与上述待键合晶圆对上述压头的力不处于同一直线上，减小了上述待键合晶圆在加压过程中受到的冲量，降低上述待键合晶圆表面损伤和破碎的概率，提升了最终成品的良品率，降低了原料成本。本发明还同时提供一种具有上述有益效果的晶圆键合设备。

Description

一种晶圆键合加压装置及晶圆键合设备
技术领域
本发明涉及半导体键合领域，特别是涉及一种晶圆键合加压装置及晶圆键合设备。
背景技术
随着集成电路的发展，绝缘体硅(SOI)技术被业界公认为纳米技术时代取代现有单晶硅材料的解决方案之一，是维持摩尔定律走势的一大利器。
SOI材料是SOI技术发展的基础，高质量的SOI材料一直是制约SOI技术进入大规模工业生产的首要因素。近年来，随着SOI材料制备技术的不断成熟，制约SOI技术发展的材料问题正逐步被解决。SOI材料的制备技术归根结底包括两种，即以离子注入为代表的注氧隔离技术(Sepration-by-oxygen implantation,即SIMOX)和晶圆键合技术。
SIMOX技术需要高温离子注入和后续超高温退火，这种技术会对SIMOX材料有损坏。由于材料质量的稳定性没有保证，导致最终成品的良品率下降从而使得成本在增加。晶圆键合技术(Wafer Bonding)是利用两片镜面抛光的、干净的晶圆表面结合在一起。采用晶圆键合与减薄技术形成SOI结构时，不仅具有工艺简单、成本低廉、对器件无损伤等优点，且制备出的SOI材料仍然具有优良特性。但现有技术中，加压方式多为点压，压头与待键合晶圆的接触面积很小，压力集中，且由于压头是刚性压头，压头无缓冲地固定连接于压头台座上，致使在加压时，从压头接触待键合晶圆至压力达到峰值，经历的时间很短，作用在待键合晶片上的冲量过大，易造成待键合晶圆表面划伤，严重的还会导致待键合晶圆破碎，使最终产品的良品率下降，提高原材料成本。
发明内容
本发明的目的是提供一种晶圆键合加压装置，以解决现有技术中施加在待键合晶圆上的冲量过大，无缓冲过程，导致待键合晶圆易碎的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种晶圆键合加压装置，所述晶圆键合加压装置包括压头及压头台座；
所述压头台座朝向所述晶圆键合加压装置的置物台的表面上具有腔体，所述腔体的底面为弧形底面；
所述压头为球形压头、椭球形压头或卵形压头；
所述压头设置于所述腔体内部；
所述压头可在所述腔体内滚动，且所述压头保持有部分处于腔体开口外侧。
可选地，在所述晶圆键合加压装置中，所述腔体为球形腔体。
可选地，在所述晶圆键合加压装置中，所述压头台座包括固定槽及压头固定器，所述固定槽朝向所述置物台的表面上具有底面为弧形的凹槽；
所述压头固定器设置于所述固定槽朝向所述置物台的表面，所述压头固定器与所述凹槽组成所述腔体。
可选地，在所述晶圆键合加压装置中，所述压头固定器为板状压头固定器，所述压头固定器上具有通孔，所述通孔与所述凹槽组成所述腔体。
可选地，在所述晶圆键合加压装置中，所述压头固定器与所述固定槽之间通过螺丝与对应的螺孔固定连接。
可选地，在所述晶圆键合加压装置中，所述底面的表面设置有耐磨涂层。
可选地，在所述晶圆键合加压装置中，所述耐磨涂层为陶瓷耐磨涂层。
本发明还提供了一种晶圆键合设备，所述晶圆键合设备包括上述任一种所述的晶圆键合加压装置。
本发明所提供的晶圆键合加压装置，上述晶圆键合加压装置包括压头及压头台座；上述压头台座朝向上述晶圆键合加压装置的置物台的表面上具有腔体，上述腔体的底面为弧形底面；上述压头为球形压头、椭球形压头或卵形压头；上述压头设置于上述腔体内部；上述压头可在上述腔体内滚动，且上述压头保持有部分处于腔体开口外侧。本发明提供的晶圆键合加压装置，在对晶圆加压的过程中，待键合晶圆会对上述压头施加一个竖直向上的力，试图将上述压头向上托起，而由于上述腔体的底面为曲面，因此上述底面会给上述压头一个垂直于上述压头与上述底面接触点处切线的支撑力，由于上述底面对上述压头的力与上述待键合晶圆对上述压头的力不处于同一直线上，因此从效果上看会产生一个沿上述压头与上述底面接触点处切线向上的合力，迫使上述压头在上述腔体内滚动，使上述压头处于上述腔体外侧的高度减小，相当于在对上述待键合晶圆加压的过程中增加了缓冲，减小了上述待键合晶圆在加压过程中受到的冲量，降低上述待键合晶圆表面损伤和破碎的概率，提升了最终成品的良品率，降低了原料成本。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明提供的晶圆键合加压装置的一种具体实施方式的局部结构示意图；
图2为本发明提供的晶圆键合加压装置的另一种具体实施方式的局部结构示意图；
图3为本发明提供的晶圆键合加压装置的又一种具体实施方式的局部结构示意图；
图4为本发明提供的晶圆键合加压装置的还一种具体实施方式的局部结构示意图；
图5为本发明提供的晶圆键合加压装置的一种具体实施方式在工作时的示意图。
具体实施方式
为避免歧义，需提前说明，本发明提供的晶圆键合加压装置不包括待键合晶圆，说明书中为待键合晶圆标号只是为了方便表述。
目前晶圆键合技术主要包括阳极键合、硅片直接键合、共晶键合、热压键合、金属键合、玻璃焊料键合等，上述的晶圆键合技术都涉及到高温退火处理，工艺时间长，键合过程中产生的高温对微机电系统器件(MEMS)性能造成不利影响，比如高温对晶圆上的温度敏感电路和微结构造成热损坏(如超过400℃的高温就会对CMOS铝电路造成破坏)；高温易引入杂质，造成衬底掺杂的重新分布；对于热膨胀系数差异较大的两个晶圆，经过高温处理后会导致很大的变形和残余热应力，直接影响到器件性能和封装成品率。
近年来提出了低温晶圆键合的思想，低温晶圆键合主要有低温焊料键合、黏胶键合、表面活化键合等。但是由于黏胶键合和低温焊料键合的键合强度较低，器件使用温度有限，应用受到很大限制。低温表面活化键合由于表面活化处理和低温退火，从而使得键合强度能够满足后续的器件制作。
本发明提出了一种用于晶圆键合的加压压头结构，目的在于对待键合的晶圆之间施加均匀且较强的压力，锁定结构能使得在升压过程中，球形压头能通过轻微滚动适应压力，减少表面损伤，进一步避免上述待键合晶圆破碎。同时该键合设备使得键合前沿点从晶圆的中心，以可控的速度向外扩散，形成键合。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。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他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的核心是提供一种晶圆键合加压装置，其具体实施方式一的结构示意图如图1所示，所述晶圆键合加压装置包括压头130及压头台座110；
所述压头台座110朝向所述晶圆键合加压装置的置物台160的表面上具有腔体120，所述腔体120的底面为弧形底面；
所述压头130为椭球形压头130或卵形压头130；
所述压头130设置于所述腔体120内部；
所述压头130可在所述腔体120内滚动，且所述压头130保持有部分处于腔体120开口外侧。
上述腔体120可看作未贴合地套装在上述压头130外侧。
上述压头130处于未工作状态时，由于受到上述腔体120开口处边缘对上述压头130的支撑力，使得上述压头130不会掉出上述腔体120，又因为压头130是椭球形压头130或卵形压头130，因此几乎不会出现上述压头130在未工作的自然状态下处于竖直状态的情况，会出现上述压头130竖直站立的情况仅会发生在未工作状态下上述压头130竖直站立也不会与上述腔体120的底部接触的晶圆加压装置中(因为若上述压头130在未工作时，在竖直站立的情况下仍能与上述腔体120底面接触，则意味着上述压头130不能发生滚动，与本发明要求不符)，即便出现了上述压头130竖直站立于上述腔体120中的情况，在对上述待键合晶圆150加压的过程中，由于上述待键合晶圆150将上述压头130向上抬举，使原本与上述腔体120边缘接触的支撑点与上述腔体120分离，则此时上述压头130仅在其最下端与上述待键合晶圆150接触，无其他支撑点，因此上述压头130会迅速倒向一侧，直至其与上述腔体120的底面接触，使上述底面支撑上述压头130。
经由上述推论可知，当上述压头130在工作时，上述压头130与弧形底面的初始接触状态一定不是竖直站立的状态，则此时一定可以产生一个切向力，使上述压头130发生滚动，最终达到应力平衡点，使上述压头130固定，对上述待键合晶圆150施加稳定的压力。
卵形压头130实现本发明有益效果的方式与椭球形一致，在此不再赘述。
更进一步地，上述压头130为高强度刚性材料制成的压头130，如合金钢。
更进一步地，所述腔体120为球形腔体120；球形腔体120加工更方便，可提升上述晶圆键合加压装置的生产效率。
本发明所提供的晶圆键合加压装置，上述晶圆键合加压装置包括压头130及压头台座110；上述压头台座110朝向上述晶圆键合加压装置的置物台160的表面上具有腔体120，上述腔体120的底面为弧形底面；上述压头130为球形压头130、椭球形压头130或卵形压头130；上述压头130设置于上述腔体120内部；上述压头130可在上述腔体120内滚动，且上述压头130保持有部分处于腔体120开口外侧。本发明提供的晶圆键合加压装置，在对晶圆加压的过程中，待键合晶圆150会对上述压头130施加一个竖直向上的力，试图将上述压头130向上托起，而由于上述腔体120的底面为曲面，因此上述底面会给上述压头130一个垂直于上述压头130与上述底面接触点处切线的支撑力，由于上述底面对上述压头130的力与上述待键合晶圆150对上述压头130的力不处于同一直线上，因此从效果上看会产生一个沿上述压头130与上述底面接触点处切线向上的合力，迫使上述压头130在上述腔体120内滚动，使上述压头130处于上述腔体120外侧的高度减小，相当于在对上述待键合晶圆150加压的过程中增加了缓冲，减小了上述待键合晶圆150在加压过程中受到的冲量，降低上述待键合晶圆150表面损伤和破碎的概率，提升了最终成品的良品率，降低了原料成本。
除上述具体实施方式中的椭球或卵形压头130外，上述压头130还可为球形压头130，请看下面的具体实施方式二，其结构示意图如图2所示，所述晶圆键合加压装置包括压头130及压头台座110；
所述压头台座110朝向所述晶圆键合加压装置的置物台160的表面上具有腔体120，所述腔体120的底面为弧形底面；
所述压头130为球形压头130；
所述压头130设置于所述腔体120内部；
所述压头130可在所述腔体120内滚动，且所述压头130保持有部分处于腔体120开口外侧。
本具体实施方式与具体实施方式一的不同之处在于，本具体实施方式的压头130为球形压头130，其余结构均与具体实施方式一相同，在此不做赘述。
上述球形压头130在对上述待键合晶圆150加压的过程中，上述待键合晶圆150将上述球形压头130向上托起，此时上述球形压头130只有上述待键合晶圆150上一个支撑点，而在加压过程中的机械振动是不可避免的，因此上述球形压头130会发生滚动，使其先与上述腔体120的底面的非中心点相接触，之后再在上述腔体120内滚动，最终达到应力平衡，对上述待键合晶圆150施加稳定的压力。
上述中心点指上述球形压头130在未工作时处于球形压头130球形正上方的上述底面上的点。
上述球形压头130更易于加工生产，可降低上述晶圆键合装置的生产成本，提升生产效率。
在上述具体实施方式的基础上，进一步对上述压头台座110做改进，得到具体实施方式三，其结构示意图如图3所示，所述晶圆键合加压装置包括压头130及压头台座110；
所述压头台座110朝向所述晶圆键合加压装置的置物台160的表面上具有腔体120，所述腔体120的底面为弧形底面；
所述压头130为球形压头130、椭球形压头130或卵形压头130；
所述压头130设置于所述腔体120内部；
所述压头130可在所述腔体120内滚动，且所述压头130保持有部分处于腔体120开口外侧；
所述压头台座110包括固定槽111及压头130固定器112，所述固定槽111朝向所述置物台160的表面上具有底面为弧形的凹槽；
所述压头130固定器112设置于所述固定槽111朝向所述置物台160的表面，所述压头130固定器112与所述凹槽组成所述腔体120；
所述压头130固定器112与所述固定槽111之间通过螺丝113与对应的螺孔固定连接。
本具体实施方式与上述具体实施方式的不同之处在于，本具体实施方式中将上述压头台座110分为了上述固定槽111与上述压头130固定器112两部分，其余结构均与上述具体实施方式相同，在此不再赘述。
上述压头130固定器112本质作用是为上述压头130的下部提供了支撑点，使上述压头130不至于在不工作时由于重力作用掉出去，因此上述压头130固定器112只要起到支撑上述压头130，使其满足权利要求内的条件即可，无其它要求。
更进一步地，所述压头130固定器112为板状压头130固定器112，所述压头130固定器112上具有通孔，所述通孔与所述凹槽组成所述腔体120；板状压头130固定器112结构强度更高，更不容易因外力而受损，可大大增加上述晶圆键合加压装置的使用寿命。
本具体实施方式将上述压头台座110分为两部分，对比上述其它具体实施方式不难发现，由于上述其它具体实施方式中上述槽体是一体的，且需要固定上述压头130使其在未工作状态下不会从上述腔体120中掉出来，因此上述压头130的安装便十分困难，而本具体实施方式中，由于上述压头台座110分为了两部分，使上述腔体120也分为了两部分，压头130安装的难度大大下降，此外，本具体实施方式通过配套的螺丝113和螺孔固定连接上述固定槽111与上述压头130固定器112，使上述固定槽111与上述压头130固定器112之间，不会出现相对滑动，提高了上述晶圆键合加压装置工作中的稳定性。
在上述具体实施方式的基础上，进一步对上述腔体120内部进行改进，得到具体实施方式四，其结构示意图如图4所示，所述晶圆键合加压装置包括压头130及压头台座110；
所述压头台座110朝向所述晶圆键合加压装置的置物台160的表面上具有腔体120，所述腔体120的底面为弧形底面；
所述压头130为球形压头130、椭球形压头130或卵形压头130；
所述压头130设置于所述腔体120内部；
所述压头130可在所述腔体120内滚动，且所述压头130保持有部分处于腔体120开口外侧；
所述压头台座110包括固定槽111及压头130固定器112，所述固定槽111朝向所述置物台160的表面上具有底面为弧形的凹槽；
所述压头130固定器112设置于所述固定槽111朝向所述置物台160的表面，所述压头130固定器112与所述凹槽组成所述腔体120；
所述压头130固定器112与所述固定槽111之间通过螺丝113与对应的螺孔固定连接；
所述底面的表面设置有耐磨涂层121。
本具体实施方式与上述具体实施方式不同之处在于，本具体实施方式在上述墙体内部增加了耐磨涂层121，其他结构均与上述具体实施方式相同，在此不再赘述。
更进一步地，上述耐磨涂层121为陶瓷耐磨涂层121。
由于本发明提供的晶圆键合加压装置，上述压头130要与上述腔体120底面反复摩擦，易产生磨损，本具体实施方式在上述腔体120的底面设置耐磨涂层121，可大大减少上述压头130与上述腔体120之间的磨损，延长上述晶圆键合加压装置的使用寿命。
本具体实施方式的晶圆键合加压装置的工作示意图如图5所示，加压杆140施加压力，把压力传动给压头130，压头再作用于放置于置物台160上的待键合晶圆150。
本发明还提供了一种晶圆键合设备，所述晶圆键合设备包括上述任一种晶圆键合加压装置。其他部分的结构请参考现有技术，在此不再展开赘述。
本发明所提供晶圆键合设备，包括压头130及压头台座110；上述压头台座110朝向上述晶圆键合加压装置的置物台160的表面上具有腔体120，上述腔体120的底面为弧形底面；上述压头130为球形压头130、椭球形压头130或卵形压头130；上述压头130设置于上述腔体120内部；上述压头130可在上述腔体120内滚动，且上述压头130保持有部分处于腔体120开口外侧。本发明提供的晶圆键合加压装置，在对晶圆加压的过程中，待键合晶圆150会对上述压头130施加一个竖直向上的力，试图将上述压头130向上托起，而由于上述腔体120的底面为曲面，因此上述底面会给上述压头130一个垂直于上述压头130与上述底面接触点处切线的支撑力，由于上述底面对上述压头130的力与上述待键合晶圆150对上述压头130的力不处于同一直线上，因此从效果上看会产生一个沿上述压头130与上述底面接触点处切线向上的合力，迫使上述压头130在上述腔体120内滚动，使上述压头130处于上述腔体120外侧的高度减小，相当于在对上述待键合晶圆150加压的过程中增加了缓冲，减小了上述待键合晶圆150在加压过程中受到的冲量，降低上述待键合晶圆150表面损伤和破碎的概率，提升了最终成品的良品率，降低了原料成本。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的晶圆键合加压装置及晶圆键合设备进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种晶圆键合加压装置，其特征在于，所述晶圆键合加压装置包括压头及压头台座；
所述压头台座朝向所述晶圆键合加压装置的置物台的表面上具有腔体，所述腔体的底面为弧形底面；
所述压头为球形压头、椭球形压头或卵形压头；
所述压头设置于所述腔体内部；
所述压头可在所述腔体内滚动，且所述压头保持有部分处于腔体开口外侧；
在对待键合晶圆加压的过程中，所述压头会受到一个竖直向上的力以及一个垂直于所述压头与所述弧形底面接触点处切线的支撑力，进而产生一个沿所述压头与所述弧形底面接触点处切线向上的合力，迫使所述压头在所述腔体内滚动，使所述压头处于所述腔体外侧的高度减小。
2.如权利要求1所述的晶圆键合加压装置，其特征在于，所述腔体为球形腔体。
3.如权利要求1所述的晶圆键合加压装置，其特征在于，所述压头台座包括固定槽及压头固定器，所述固定槽朝向所述置物台的表面上具有底面为弧形的凹槽；
所述压头固定器设置于所述固定槽朝向所述置物台的表面，所述压头固定器与所述凹槽组成所述腔体。
4.如权利要求3所述的晶圆键合加压装置，其特征在于，所述压头固定器为板状压头固定器，所述压头固定器上具有通孔，所述通孔与所述凹槽组成所述腔体。
5.如权利要求4所述的晶圆键合加压装置，其特征在于，所述压头固定器与所述固定槽之间通过螺丝与对应的螺孔固定连接。
6.如权利要求1所述的晶圆键合加压装置，其特征在于，所述底面的表面设置有耐磨涂层。
7.如权利要求6所述的晶圆键合加压装置，其特征在于，所述耐磨涂层为陶瓷耐磨涂层。
8.一种晶圆键合设备，其特征在于，所述晶圆键合设备包括如权利 要求1至7任一项所述的晶圆键合加压装置。
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