CN111276419B - 一种固相键合装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种固相键合装置，在底座与压头之间设置有缓冲部件，缓冲部件的第二应力缓冲板朝向压头一侧表面具有朝向第一应力缓冲板的环形台阶面；第二待键合样品与第二应力缓冲板朝向底座一侧表面的第二压力区域相接触，在第二应力缓冲板朝向底座一侧表面具有呈环状包围第二压力区域的蠕变区域，第一应力缓冲板的硬度大于第二应力缓冲板，第二应力缓冲板的硬度小于第二待键合样品。在键合时，第二应力缓冲板与第二待键合样品边沿相接触的区域会发生蠕变，同时由于在键合时第二应力缓冲板可以在第二应力缓冲板朝向压头一侧表面的环形台阶面处发生蠕变，从而减小键合过程中待键合样品边沿处的应力集中，提高键合的成品率。

Description

一种固相键合装置

技术领域

本发明涉及先进制造领域，特别是涉及一种固相键合装置。

背景技术

固相键合是先进制造技术上的一项关键技术，在半导体、精密仪器、电子制造、航空航天等领域中存在着广泛的应用。常用的固相键合技术有粘结键合、阳极氧化键合、共晶键合等。其中，固相直接键合技术，不需要使用额外粘结材料或焊料就能将经过抛光的两面直接键合在一起，具有结构特性稳定、可靠性高、工艺简单等优点。然而，在将不同形状、不同尺寸或不同材料的两个部件键合在一起时，常常会导致样品损毁，这一问题对于较薄或较脆的精密部件尤为明显。目前业界迫切需要一种在将不同固相相互键合时可以提高其成品率的新型装置。

发明内容

本发明的目的是提供一种固相键合装置，可以在不同固相相互键合时有效提高成品率。

为解决上述技术问题，本发明提供一种固相键合装置，包括底座、压头、加压部件和应力缓冲部件；

所述底座与所述压头相对设置，所述底座朝向所述压头一侧表面用于设置第一待键合样品以及位于所述第一待键合样品朝向所述压头一侧表面的第二待键合样品；所述压头与所述加压部件固定连接，所述加压部件用于驱动所述压头向所述底座移动；

所述应力缓冲部件位于所述底座与所述压头之间，所述应力缓冲部件包括第一应力缓冲板和第二应力缓冲板，所述第一应力缓冲板位于所述第二应力缓冲板朝向所述压头一侧表面的第一压力区域，所述第二应力缓冲板朝向所述第一应力缓冲板一侧表面形成朝向所述第一应力缓冲板的环形台阶面；所述第二应力缓冲板的硬度小于所述第二待键合样品的硬度；所述第二应力缓冲板朝向所述底座一侧表面包括与所述第二待键合样品相接触的第二压力区域，以及呈环状包围所述第二压力区域的蠕变区域；所述第二应力缓冲板的硬度大于所述第一应力缓冲板的硬度。

可选的，所述第二压力区域在所述第二应力缓冲板朝向所述第一应力缓冲板一侧表面的投影覆盖所述第一压力区域。

可选的，所述第二压力区域在所述第二应力缓冲板朝向所述第一应力缓冲板一侧表面的投影与所述第一压力区域相同。

可选的，所述第二应力缓冲板为石墨应力缓冲板或海绵应力缓冲板。

可选的，所述第二应力缓冲板的厚度的取值范围为20μm至 10mm，包括端点值。

可选的，所述第一应力缓冲板为铜应力缓冲板或硅应力缓冲板。

可选的，所述第一应力缓冲板的厚度的取值范围为20μm至 10mm，包括端点值。

可选的，所述压头为碳化硅压头或刚玉压头。

可选的，所述底座为碳化硅底座或刚玉底座。

可选的，所述固相键合装置还包括外壳体和位于所述外壳体内的加热部件；

所述底座、所述压头和所述应力缓冲部件均位于所述外壳体内，所述加热部件用于将所述外壳体内空间温度加热至预设温度。

本发明所提供的一种固相键合装置，包括相对设置的底座和压头，底座朝向压头一侧表面用于依次放置第一待键合样品与第二待键合样品，压头与加压部件固定连接用于对第一待键合样品与第二待键合样品施加压力。

在底座与压头之间设置有缓冲部件，缓冲部件包括第一应力缓冲板和第二应力缓冲板，在键合时第一应力缓冲板与压头接触，第二应力缓冲板与第二待键合样品相接触。具体的，第一应力缓冲板的尺寸小于第二应力缓冲板，使得第二应力缓冲板朝向压头一侧表面具有朝向第一应力缓冲板的环形台阶面；第二应力缓冲板的尺寸大于第二待键合样品，在键合时第二待键合样品与第二应力缓冲板朝向底座一侧表面的第二压力区域相接触，在第二应力缓冲板朝向底座一侧表面具有呈环状包围第二压力区域的蠕变区域，其中第一应力缓冲板的硬度大于第二应力缓冲板，第二应力缓冲板的硬度小于第二待键合样品。

在键合时，压头会通过缓冲部件向第二待键合样品施加 压力，此时第二应力缓冲板与第二待键合样品边沿相接触的区域会发生蠕变，此时第二应力缓冲板会沿第二待键合样品边沿的形状而变形，从而有效减小键合过程中待键合样品边沿处的应力集中，进而防止样品破损，提高键合的成品率。同时由于第二应力缓冲板朝向压头一侧表面具有环形台阶面，使得在键合时第二应力缓冲板可以在此处发生蠕变，从而从该环形台阶面处释放应力，进一步减小键合过程中待键合样品边沿处的应力集中，提高键合的成品率。

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为本发明实施例所提供的一种固相键合装置的结构示意图；

图2为本发明实施例所提供的一种具体的固相键合装置的结构示意图。

图中：1.底座、2.压头、31.第一待键合样品、32.第二待键合样品、 41.第一应力缓冲板、42.第二应力缓冲板、5.加压部件、6.外壳体、7. 加热部件。

具体实施方式

本发明的核心是提供一种固相键合装置。在现有技术中，将不同形状、不同尺寸或不同材料的两个样品相互键合时，在施加压力时由于上述不同通常会导致样品的边沿处应力集中，从而常常会导致样品损毁。

而本发明所提供的一种固相键合装置，在底座与压头之间设置有缓冲部件，缓冲部件包括第一应力缓冲板和第二应力缓冲板，在键合时第一应力缓冲板与压头接触，第二应力缓冲板与第二待键合样品相接触。具体的，第一应力缓冲板的尺寸小于第二应力缓冲板，使得第二应力缓冲板朝向压头一侧表面具有朝向第一应力缓冲板的环形台阶面；第二应力缓冲板的尺寸大于第二待键合样品，在键合时第二待键合样品与第二应力缓冲板朝向底座一侧表面的第二压力区域相接触，在第二应力缓冲板朝向底座一侧表面具有呈环状包围第二压力区域的蠕变区域，其中第一应力缓冲板的硬度大于第二应力缓冲板，第二应力缓冲板的硬度小于第二待键合样品。

在键合时，压头会通过缓冲部件向第二待键合样品施加 压力，此时第二应力缓冲板与第二待键合样品边沿相接触的区域会发生蠕变，此时第二应力缓冲板会沿第二待键合样品边沿的形状而变形，从而有效减小键合过程中待键合样品边沿处的应力集中，进而防止样品破损，提高键合的成品率。同时由于第二应力缓冲板朝向压头一侧表面具有环形台阶面，使得在键合时第二应力缓冲板可以在此处发生蠕变，从而从该环形台阶面处释放应力，进一步减小键合过程中待键合样品边沿处的应力集中，提高键合的成品率。

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。

请参考图1，图1为本发明实施例所提供的一种固相键合装置的结构示意图。

参见图1，在本发明实施例中，所述固相键合装置包括底座1、压头2、加压部件5和应力缓冲部件；所述底座1与所述压头2相对设置，所述底座1朝向所述压头2一侧表面用于设置第一待键合样品 31以及位于所述第一待键合样品31朝向所述压头2一侧表面的第二待键合样品32；所述压头2与所述加压部件5固定连接，所述加压部件5用于驱动所述压头2向所述底座1移动。

上述底座1与压头2需要相对设置。上述压头2通常位于底座1 的正上方，其中底座1的上片面用于放置第一待键合样品31，而第二待键合样品32通常放置于第一待键合样品31背向底座1一侧表面，即第一待键合样品31的上表面。通常情况下，要求底座1朝向压头2一侧表面为平整表面，不能具有明显的凸起，以防止在对第一待键合样品31以及第二待键合样品32施加压力时损坏第一待键合样品31。

上述压头2与加压部件5固定连接，加压部件5会驱动压头2向底座1移动，以在键合时在第一待键合样品31与第二待键合样品32 之间施加预设的压强，使得第一待键合样品31与第二待键合样品32 相互键合。有关上述加压部件5的具体结构可以参考现有技术，在此不再进行赘述。有关底座1以及压头2的具体形状在本发明实施例中同样不做具体限定，视具体情况而定。

通常情况下，在本发明实施例中为了保证在键合过程中底座1以及压头2不易损坏，通常会选用莫氏硬度大于8的材料，例如碳化硅、刚玉等作为底座1以及压头2的材料，即在本发明实施例中所述压头 2通常为碳化硅压头2或刚玉压头2；所述底座1通常为碳化硅底座1 或刚玉底座1。

在本发明实施例中，所述应力缓冲部件位于所述底座1与所述压头2之间，所述应力缓冲部件包括第一应力缓冲板41和第二应力缓冲板42，所述第一应力缓冲板41位于所述第二应力缓冲板42朝向所述压头2一侧表面的第一压力区域，所述第二应力缓冲板42朝向所述第一应力缓冲板41一侧表面形成朝向所述第一应力缓冲板41的环形台阶面；所述第二应力缓冲板42的硬度小于所述第二待键合样品32的硬度；所述第二应力缓冲板42朝向所述底座1一侧表面包括与所述第二待键合样品32相接触的第二压力区域，以及呈环状包围所述第二压力区域的蠕变区域；所述第二应力缓冲板42的硬度大于所述第一应力缓冲板41的硬度。

上述应力缓冲部件包括相互叠放的第一应力缓冲板41以及第二应力缓冲板42，其中所述第一应力缓冲板41位于所述第二应力缓冲板42朝向所述压头2一侧表面的第一压力区域，即第一应力缓冲板 41更靠近压头2，而第二应力缓冲板42更靠近底座1。在键合过程中，第二应力缓冲板42会与第二待键合样品32相接触，压头2会通过第一应力缓冲板41以及第二应力缓冲板42向第一待键合样品31以及第二待键合样品32施加压力。

具体的，上述第一应力缓冲板41的尺寸需要小于第二应力缓冲板42的尺寸，第一应力缓冲板41仅仅位于第二应力缓冲板42朝向压头2一侧表面的第一压力区域，该第一压力区域通常位于第二应力缓冲板42朝向压头2一侧表面的中心，该第二应力缓冲板42朝向第一应力缓冲板41一侧表面形成有朝向第一应力缓冲板41的环形台阶面；由于在本发明实施例中第一应力缓冲板41的硬度大于第二应力缓冲板42的硬度，在键合过程中在该环形台阶面处会发生沿第一应力缓冲板41边沿向上的蠕变，从而释放第二应力缓冲板42边缘部的应力。

上述第二应力缓冲板42的尺寸需要大于第二待键合样品32的尺寸，在第二应力缓冲板42朝向底座1一侧表面具有通常位于中心的第二压力区域以及呈环状包围该第二压力区域的蠕变区域。上述第二待键合样品32与第二缓冲板朝向底座1一侧表面的第二压力区域相接触，而在键合过程中上述蠕变区域会形成朝向第二待键合样品32的环形台阶面。由于在本发明实施例中第二应力缓冲板42的硬度小于第二待键合样品32的硬度，在键合过程中在该蠕变区域处会发生沿第二待键合样品32边沿向下的蠕变，从而有效减小键合过程中第二待键合样品32边沿处的应力集中，进而防止样品破损，提高键合的成品率。

作为优选的，在本发明实施例中，所述第二压力区域在所述第二应力缓冲板42朝向所述第一应力缓冲板41一侧表面的投影覆盖所述第一压力区域。即在本发明实施例中，第一应力缓冲板41的尺寸通常需要不大于第二待键合晶圆的尺寸，使得在竖直方向上第一应力缓冲板41不会覆盖第二待键合样品32，从而使得在键合过程中可以尽可能减少第二待键合样品32边沿处受到的应力，防止第二待键合样品 32发生破损。

进一步的，在本发明实施例中，所述第二压力区域在所述第二应力缓冲板42朝向所述第一应力缓冲板41一侧表面的投影与所述第一压力区域相同。由于在本发明实施例中第二应力缓冲板42 的质地通常较软，为了在尽可能减少第二待键合样品32边沿受到的应力的前提下，使得第一应力缓冲板41对第二应力缓冲板42施加的压力尽可能的平均，进而使得第二应力缓冲板42对第二待键合样品32施加的压力尽可能的平均，在本发明实施例中所述第一应力缓冲板41下表面的尺寸可以与第二待键合样品32上表面的尺寸相同，且在键合时相互对位，从而实现上述效果。

本发明实施例所提供的一种固相键合装置，包括相对设置的底座 1和压头2，底座1朝向压头2一侧表面用于依次放置第一待键合样品 31与第二待键合样品32，压头2与加压部件5固定连接用于对第一待键合样品31与第二待键合样品32施加压力。在底座1与压头2之间设置有缓冲部件，缓冲部件包括第一应力缓冲板41和第二应力缓冲板 42，在键合时第一应力缓冲板41与压头2接触，第二应力缓冲板42 与第二待键合样品32相接触。具体的，第一应力缓冲板41的尺寸小于第二应力缓冲板42，使得第二应力缓冲板42朝向压头2一侧表面具有朝向第一应力缓冲板41的环形台阶面；第二应力缓冲板42的尺寸大于第二待键合样品32，在键合时第二待键合样品32与第二应力缓冲板42朝向底座1一侧表面的第二压力区域相接触，在第二应力缓冲板42朝向底座1一侧表面具有呈环状包围第二压力区域的蠕变区域，其中第一应力缓冲板41的硬度大于第二应力缓冲板42，第二应力缓冲板42的硬度小于第二待键合样品32。

在键合时，压头2会通过缓冲部件向第二待键合样品32时间压力，此时第二应力缓冲板42与第二待键合样品32边沿相接触的区域会发生蠕变，此时第二应力缓冲板42会沿第二待键合样品32边沿的形状而变形，从而有效减小键合过程中待键合样品边沿处的应力集中，进而防止样品破损，提高键合的成品率。同时由于第二应力缓冲板42 朝向压头2一侧表面具有环形台阶面，使得在键合时第二应力缓冲板 42可以在此处发生蠕变，从而从该环形台阶面处释放应力，进一步减小键合过程中待键合样品边沿处的应力集中，提高键合的成品率。

有关本发明所提供的固相键合装置的具体结构将在下述发明实施例中做详细介绍。

请参考图2，图2为本发明实施例所提供的一种具体的固相键合装置的结构示意图。

区别于上述发明实施例，本发明实施例是在上述发明实施例的基础上，进一步的对固相键合装置的结构进行具体限定。其余内容已在上述发明实施例中进行了详细介绍，在此不再进行赘述。

参见图2，在本发明实施例中，所述固相键合装置还包括外壳体 6和位于所述外壳体6内的加热部件7；所述底座1、所述压头2和所述应力缓冲部件均位于所述外壳体6内，所述加热部件7用于将所述外壳体6内空间温度加热至预设温度。

在本发明实施例中，固相键合装置包括有一外壳体6，外壳体6 内形成一内腔。而上述底座1、压头2以及应力缓冲部件通常均位于上述外壳体6内，从而可以在外壳体6内对第一待键合样品31与第二待键合样品32进行键合。通常情况下，上述加压部件5通常也位于外壳体6内，以便对第一待键合样品31与第二待键合样品32施加压力。

在本发明实施例中，加热部件7位于外壳体6内，该加热部件7 用于将外壳体6内空间温度加热至预设温度。具体的，上述加热部件 7用于在键合过程中，将第一待键合样品31与第二待键合样品32的温度加热至预设温度。对第一待键合样品31以及第二待键合样品32进行加热，可以加快分子热运动，增加第一待键合样品31与第二待键合样品32之间接触面的表面活性，从而可以减少将第一待键合样品 31与第二待键合样品32相互键合所需要的时间。

需要说明的是，由于在外壳体6内设置有加热部件7，上述外壳体6通常需要起到隔热保温的作用。有关该外壳体6的具体材质以及具体形状在本发明实施例中并不做具体限定，视具体情况而定。还需要说明的是，上述外壳体6内空间通过加热部件7加热所能达到的预设温度需要小于上述各个部件的熔点温度或燃点温度。由于在本发明实施例中所选用的第二应力缓冲板42的硬度通常较低，而通常硬度较低的材料其燃点温度通常也较低，相应的在本发明实施例中通常需要通过上述加热部件7使得外壳体6内所能达到的预设温度小于第二应力缓冲板42的燃点温度

具体的，在本发明实施例中，为了保证第二应力缓冲板42具有较低的硬度，所述第二应力缓冲板42通常为石墨应力缓冲板或海绵应力缓冲板，即第二应力缓冲板42的材质通常为石墨或海绵等莫氏硬度低于2的具有较低硬度的材质。通过将第二应力缓冲板42的材质限定在上述范围内可以保证第二应力缓冲板42在收到压力时其对应第二待键合样品32边沿处以及第一应力缓冲板41边沿处容易发生蠕变，从而减小键合过程中第二待键合样品32边沿处的应力集中，提高键合的成品率。

具体的，在本发明实施例中，所述第一应力缓冲板41通常为铜应力缓冲板或硅应力缓冲板，即第一应力缓冲板41的材质可以为铜或硅等莫氏硬度在3至8之间的具有中等硬度的材质。由上述材料制备而成的第一应力缓冲板41可以在保护第二应力缓冲板42不易在一次键合中被压坏的同时，其自身在键合过程中同样可以进行蠕变以吸收一部分应力，从而减少第二待键合样品32破坏的可能性。通常情况下，在本发明实施例中，所述第二应力缓冲板42的厚度的取值范围通常为 20μm至10mm，包括端点值；即第二应力缓冲板42的厚度可以恰好为20μm或10mm。上述第一应力缓冲板41的厚度的取值范围通常为20μm至10mm，包括端点值；即第一应力缓冲板41的厚度可以恰好为20μm或10mm。

本发明实施例所提供的一种固相键合装置，可以通过加热部件7 在键合时增加第一待键合样品31与第二待键合样品32的温度，从而减少键合所需时间。

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。

最后，还需要说明的是，在本文中，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一种固相键合装置进行了详细介绍。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)

1.一种固相键合装置，其特征在于，包括底座、压头、加压部件和应力缓冲部件；

所述底座与所述压头相对设置，所述底座朝向所述压头一侧表面用于设置第一待键合样品以及位于所述第一待键合样品朝向所述压头一侧表面的第二待键合样品；所述压头与所述加压部件固定连接，所述加压部件用于驱动所述压头向所述底座移动；

所述应力缓冲部件位于所述底座与所述压头之间，所述应力缓冲部件包括第一应力缓冲板和第二应力缓冲板，所述第一应力缓冲板位于所述第二应力缓冲板朝向所述压头一侧表面的第一压力区域，所述第二应力缓冲板朝向所述第一应力缓冲板一侧表面形成朝向所述第一应力缓冲板的环形台阶面；所述第二应力缓冲板的硬度小于所述第二待键合样品的硬度；所述第二应力缓冲板朝向所述底座一侧表面包括与所述第二待键合样品相接触的第二压力区域，以及呈环状包围所述第二压力区域的蠕变区域；所述第二应力缓冲板的硬度小于所述第一应力缓冲板的硬度；

所述第二压力区域在所述第二应力缓冲板朝向所述第一应力缓冲板一侧表面的投影覆盖所述第一压力区域且所述投影与所述第一压力区域相同。

2.根据权利要求1所述的固相键合装置，其特征在于，所述第二应力缓冲板为石墨应力缓冲板或海绵应力缓冲板。

3.根据权利要求2所述的固相键合装置，其特征在于，所述第二应力缓冲板的厚度的取值范围为20μm至10mm，包括端点值。

4.根据权利要求2所述的固相键合装置，其特征在于，所述第一应力缓冲板为铜应力缓冲板或硅应力缓冲板。

5.根据权利要求4所述的固相键合装置，其特征在于，所述第一应力缓冲板的厚度的取值范围为20μm至10mm，包括端点值。

6.根据权利要求1所述的固相键合装置，其特征在于，所述压头为碳化硅压头或刚玉压头。

7.根据权利要求1所述的固相键合装置，其特征在于，所述底座为碳化硅底座或刚玉底座。

8.根据权利要求1至7任一项权利要求所述的固相键合装置，其特征在于，所述固相键合装置还包括外壳体和位于所述外壳体内的加热部件；

所述底座、所述压头和所述应力缓冲部件均位于所述外壳体内，所述加热部件用于将所述外壳体内空间温度加热至预设温度。

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