CN113314451A - 一种基于莫尔条纹的晶圆键合对准系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于莫尔条纹的晶圆键合对准系统及方法，该系统包括：光路装置、数据处理装置和控制装置；光路装置包括光源组件、上光路组件和下光路组件；上光路组件和下光路组件均包括反光镜、透射式光栅、透镜和光电接收器；上光路组件用于和下晶圆构建上光路以获取第一莫尔条纹；下光路组件用于和上晶圆构建下光路以获取第二莫尔条纹；光电接收器用于将光信号转换为电信号；数据处理装置用于确定下晶圆的位置和上晶圆的位置；控制装置对上晶圆和下晶圆的位置进行调整以对准上晶圆和下晶圆。本发明通过莫尔条纹的放大作用来提升晶圆键合对准精度，还可分辨晶圆间的旋转错位，也不要求晶圆材料透明，可实现全材料晶圆的纳米级高精度对准。

Description

一种基于莫尔条纹的晶圆键合对准系统及方法

技术领域

本发明涉及半导体制造检测技术领域，具体涉及一种基于莫尔条纹的晶圆键合对准系统及方法。

背景技术

在集成电路技术领域，三维集成技术能够在垂直方向上堆叠芯片或器件单元，提升了器件容量，极大地缩短了互连长度，降低了信号延迟与寄生电容，并在立体方向上提高了芯片的功能密度。键合是多层芯片堆叠的关键技术，其中晶圆键合的精确对准至关重要，可为集成电路提供良好的电信号传输通道，并为芯片的稳定和可靠服役提供支持。

现有技术中，利用一个成像系统同时采集上下两个晶圆表面上的对准标记的匹配图像，获得对准位置误差信息，从而实现晶圆键合对准。这种方法需要至少有一个晶圆是可见光透明或红外光透明材料或者一侧晶圆镂空，以实现对另一侧晶圆对准技术的观察，同时对于两个晶圆之间的晶圆间距敏感。广泛应用的晶圆键合系统中，多数以对准标记的相对位置校准作为对准方式，对准标记通常采用“十字-十字”或“十字-方框”的图案，这种对准方式直观、操作简单，通过光学系统直接获取对准标记即可实现两侧晶圆的对准。但是采用这些标记的对准系统，其精度受对准系统光学结构的分辨率、景深限制以及受对准标记制造工艺等限制，同时从对准标记图像的特征上难以精确分辨晶圆间的旋转错位。因而，采用这些传统对准标记的对准方法其对准精度通常被限制在0.2-3μm，难以满足超细间距高密度晶圆堆叠过程中的键合对准要求。

发明内容

为解决现有技术的问题，本发明提供了一种基于莫尔条纹的晶圆键合对准系统及方法。

本发明第一方面提供了一种基于莫尔条纹的晶圆键合对准系统，其包括：光路装置、数据处理装置和控制装置；

所述光路装置包括光源组件、上光路组件和下光路组件；所述上光路组件和所述下光路组件的光器件均包括反光镜、透射式光栅、透镜和光电接收器；所述上光路组件用于和下晶圆构建上光路，所述上光路用于获取第一莫尔条纹；所述下光路组件用于和上晶圆构建下光路，所述下光路用于获取第二莫尔条纹；所述上晶圆和所述下晶圆均包括反射式光栅且所述反射式光栅嵌于晶圆键合面；所述上光路和所述下光路分时工作；

在所述上光路中以及在所述下光路中，来自所述光源组件的光线的传播路径均为：所述光线以设定角度入射到所述反光镜，且经所述反光镜反光后以所述设定角度入射到所述反射式光栅，且经所述反射式光栅反射后以所述设定角度入射到所述透射式光栅并得到莫尔条纹，所述莫尔条纹经所述透镜折射后垂直进入所述光电接收器；所述光电接收器用于将光信号转换为电信号并提供给所述数据处理装置；

所述数据处理装置与所述光电接收器相连，所述数据处理装置用于根据所述第一莫尔条纹的所述电信号确定所述下晶圆的第一位置，以及用于根据所述第二莫尔条纹的所述电信号确定所述上晶圆的第二位置；

所述控制装置与所述数据处理装置相连，所述控制装置用于将所述上晶圆载入并与所述下光路组件构建所述下光路，以及用于将所述下晶圆载入并与所述上光路组件构建所述上光路；所述控制装置还用于根据所述第一位置和所述第二位置对所述下晶圆和所述上晶圆的位置进行调整以对准所述下晶圆和所述上晶圆。

进一步地，

所述光源组件包括激光光源和棱镜；所述棱镜用于将所述激光光源发射的光束分为上偏振光和下偏振光以提供给所述上光路和所述下光路；

所述设定角度为45度角；

所述反射式光栅和所述透射式光栅的光栅常数相匹配；所述光线经过所述反射式光栅和所述透射式光栅后叠加生成所述莫尔条纹；

所述光电接收器包括光电二极管或CCD或PSD；

所述晶圆包括纳米级晶圆。

进一步地，

所述上光路组件和所述下光路组件均还包括光阑，所述光阑用于对所述透镜折射后的所述莫尔条纹进行滤波，经滤波后的所述莫尔条纹被所述光电接收器接收。

进一步地，

在所述光电接收器中增加电子细分板，所述电子细分板集成在所述光电接收器中，所述电子细分板用于对所述电信号进行细分以提升对准精度；所述电子细分板对所述电信号进行细分包括：直接细分、移项电阻链法细分、鉴相细分或幅值分割法细分。

进一步地，

在所述上晶圆和/或所述下晶圆的所述键合面嵌入压电模块，所述压电模块用于在调整所述上晶圆和所述下晶圆的纵向位置时通过压电信息判断所述上晶圆和所述下晶圆之间是否达到极窄间距。

进一步地，

所述光源组件包括采用笼式结构进行位置校准的两个激光光源。

本发明第二方面提供一种基于莫尔条纹的晶圆键合对准方法，基于如上所述的晶圆键合对准系统，其包括：

对光路装置进行校准，使得光线经过反光镜、透射式光栅和透镜后到达光电接收器，并使得上光路组件的光电接收器的零位和下光路组件的光电接收器的零位对准；

控制装置将上晶圆载入到所述下光路组件的反光镜与透射式光栅之间以构建下光路；调整所述上晶圆的位置，使得光线在所述下光路中按第一路径传播到达所述下光路组件的光电接收器；所述第一路径传播如下：

所述光线以设定角度入射到所述反光镜，经所述反光镜反光后以所述设定角度入射到所述上晶圆的反射式光栅，经所述反射式光栅反射后以所述设定角度入射到所述透射式光栅并得到第二莫尔条纹，所述第二莫尔条纹经透镜折射后垂直进入所述光电接收器；

所述下光路组件的光电接收器将所述第二莫尔条纹转换为电信号并传递给数据处理装置；所述数据处理装置对所述电信号进行分析处理得到所述上晶圆的第二位置；

所述控制装置将所述上晶圆从所述下光路中移出；所述控制装置将下晶圆载入到所述上光路组件的反光镜与透射式光栅之间以构建上光路；调整所述下晶圆的位置，使得光线在所述上光路中按第二路径传播到达所述上光路组件的光电接收器；所述第二路径传播如下：

所述光线以所述设定角度入射到所述反光镜，经所述反光镜反光后以所述设定角度入射到所述下晶圆的反射式光栅，经所述反射式光栅反射后以所述设定角度入射到所述透射式光栅并得到第一莫尔条纹，所述第一莫尔条纹经透镜折射后垂直进入所述光电接收器；

所述上光路组件的光电接收器将所述第一莫尔条纹转换为电信号并传递给所述数据处理装置；所述数据处理装置对所述电信号进行分析处理得到所述下晶圆的第一位置；

所述控制装置根据所述第一位置和所述第二位置对所述下晶圆和所述上晶圆的位置进行调整以对准所述下晶圆和所述上晶圆。

进一步地，

光源组件包括激光光源和棱镜；所述棱镜用于将所述激光光源发射的光束分为上偏振光和下偏振光以提供给所述上光路和所述下光路；

所述设定角度为45度角；

所述上光路组件和所述下光路组件均还包括光阑，所述光阑用于对所述透镜折射后的所述莫尔条纹进行滤波，经滤波后的所述莫尔条纹被所述光电接收器接收。

进一步地，当所述上晶圆TTV和所述下晶圆TTV在纳米级时，所述对光路装置进行校准包括：

按设定光路路径将所述光路装置的各个光器件放置在相应的设定位置上，所述设定位置适于所述光线经过各个所述光器件并到达所述光电接收器；

提供笼式结构；通过所述笼式结构将所述上光路组件的所述光电接收器和所述透镜以及所述下光路组件的所述光电接收器和所述透镜的相对位置固定，且保持所述上光路组件和所述下光路组件的相应的所述光器件之间轴对称；

开启光源组件；

调整所述上光路组件的所述反光镜和所述透射式光栅以及所述下光路组件的所述反光镜和所述透射式光栅，使得所述光线以所述设定角度入射所述反光镜且经所述透射式光栅和所述透镜后到达所述光电接收器，所述上光路组件的所述光电接收器和所述下光路组件的所述光电接收器都能接收到衍射光且所述衍射光都位于所述光电接收器的所述零位。

进一步地，当所述上晶圆TTV和所述下晶圆TTV在亚微米时，所述对光路装置进行校准包括：

按设定光路路径将所述光路装置的各个光器件放置在相应的设定位置上，所述设定位置适于所述光线经过各个所述光器件并到达所述光电接收器；

提供一块校准玻璃板，放置于所述反光镜和所述透射式光栅之间；

开启所述激光光源，使所述光线进入所述棱镜，所述光线被分为所述上偏振光和所述下偏振光；

将所述下偏振光遮住，所述上偏振光以所述设定角度进入所述上光路组件的所述反光镜且经所述反光镜反光后以所述设定角度进入所述校准玻璃板，部分所述上偏振光被所述校准玻璃板反射后以设定角度进入所述上光路组件的所述透射式光栅并得到第一衍射光，同时，部分所述上偏振光经所述校准玻璃板折射后以设定角度进入所述下光路组件的所述透射式光栅并得到第二衍射光；所述第二衍射光经所述下光路组件的所述透镜和所述光阑后垂直进入所述光电接收器；所述第一衍射光经所述上光路组件的所述透镜和所述光阑后垂直进入所述光电接收器；调整各个所述光器件以及所述校准玻璃板的位置，使所述第一衍射光处于所述上光路组件的所述光电接收器的所述零位且使所述第二衍射光处于所述下光路组件的所述光电接收器的所述零位；

将所述上偏振光遮住，取消对所述下偏振光的遮挡，使所述下偏振光以所述设定角度进入所述下光路组件的所述反光镜且经所述反光镜反光后以所述设定角度进入所述校准玻璃板，部分所述下偏振光被所述校准玻璃板反射后以设定角度进入所述下光路组件的所述透射式光栅并得到第三衍射光，同时，部分所述下偏振光经所述校准玻璃板折射后以设定角度进入所述上光路组件的所述透射式光栅并得到第四衍射光；所述第四衍射光经所述上光路组件的所述透镜和所述光阑后垂直进入所述光电接收器；所述第三衍射光经所述下光路组件的所述透镜和所述光阑后垂直进入所述光电接收器；调整各个所述光器件以及所述校准玻璃板的位置，使所述第三衍射光处于所述下光路组件的所述光电接收器的所述零位且使所述第四衍射光处于所述上光路组件的所述光电接收器的所述零位；

重复基于所述上偏振光和所述下偏振光对各个所述光器件的位置进行校准，直到所述第一衍射光、所述第二衍射光、所述第三衍射光和所述第四衍射光在多次重复校准后都处于相应的所述光电接收器的所述零位为止。

本发明利用晶圆键合面嵌入的反射式光栅和光学对准系统中的透射式光栅叠加生成的莫尔条纹来测量非常细微的晶圆错位，通过莫尔条纹的放大作用来提升晶圆位置计算的精确性，从而提升了晶圆键合对准精度，还可以分辨晶圆间的旋转错位。本发明通过上光路和下光路两套光学组件分别获取下晶圆和上晶圆的位置，使得上晶圆和下晶圆的反射式光栅可面对面设置且均可嵌于晶圆的键合面，从而避免了现有技术中两个晶圆的对准标记距离较大而造成的对准精度受限问题，也无需要求晶圆材料种类，可实现全材料(透光或不透光)晶圆的纳米级高精度对准。

附图说明

图1为本发明实施例的光路装置的光器件组成和布局图；

图2为本发明实施例的下晶圆位置校准示意图；

图3为本发明实施例的上晶圆位置校准示意图；

图4为本发明实施例的两个激光光源经笼式结构校准的示意图；

图5为本发明实施例的晶圆键合对准方法的基本流程图；

图6为本发明实施例的理想系统校准图(晶圆TTV为纳米级)；

图7为本发明实施例的带校准玻璃板的系统校准图(晶圆TTV为亚微米级)；

图8为本发明实施例的上晶圆和下晶圆位置对准的示意图；

图9为本发明实施例的玻璃板校准的局部细节光路调整的示意图。

附图标记说明：

1-光源组件；11-激光光源；12-棱镜；2-上光路组件；21-上光路组件的反光镜；22-上光路组件的透射式光栅；23-上光路组件的透镜；24-上光路组件的光电接收器；25-上光路组件的光阑；3-下光路组件；31-下光路组件的反光镜；32-下光路组件的透射式光栅；33-下光路组件的透镜；34-下光路组件的光电接收器；35-下光路组件的光阑；4-上晶圆；41-上晶圆的反射式光栅；5-下晶圆；51-下晶圆的反射式光栅；6-数据处理装置；7-控制装置；8-校准玻璃板。

具体实施方式

下面将参照附图详细描述根据本发明的实施例，描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同附图标记表示相同或相似的要素。要说明的是，以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表本发明的所有实施方式。它们仅是与如权利要求书中所详述的、本发明公开的一些方面相一致的装置和方法的例子，本发明的范围并不局限于此。在不矛盾的前提下，本发明各个实施例中的特征可以相互组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

本发明第一方面提供了一种基于莫尔条纹的晶圆键合对准系统，结合图1、图2和图3对所述晶圆键合对准系统进行说明，该对准系统包括：光路装置、数据处理装置和控制装置；

所述光路装置包括光源组件1、上光路组件2和下光路组件3(参见图1)；所述上光路组件2和所述下光路组件3的光器件均包括反光镜、透射式光栅、透镜和光电接收器；所述上光路组件2用于和下晶圆5构建上光路(参见图2)，所述上光路用于获取第一莫尔条纹；所述下光路组件3用于和上晶圆4构建下光路(参见图3)，所述下光路用于获取第二莫尔条纹；所述上晶圆4和所述下晶圆5均包括反射式光栅且所述反射式光栅嵌于晶圆键合面；所述上光路和所述下光路分时工作；

在所述上光路中(参见图2)以及在所述下光路中(参见图3)，来自所述光源组件1的光线的传播路径均为：所述光线以设定角度入射到所述反光镜，且经所述反光镜反光后以所述设定角度入射到所述反射式光栅，且经所述反射式光栅反射后以所述设定角度入射到所述透射式光栅并得到莫尔条纹，所述莫尔条纹经所述透镜折射后垂直进入所述光电接收器；所述光电接收器用于将光信号转换为电信号并提供给所述数据处理装置6；

所述数据处理装置6与所述光电接收器(图2中24和图3中34)相连，所述数据处理装置6用于根据所述第一莫尔条纹的所述电信号确定所述下晶圆5的第一位置，以及用于根据所述第二莫尔条纹的所述电信号确定所述上晶圆4的第二位置；

所述控制装置7与所述数据处理装置6相连(参见图2和图3)，所述控制装置7用于将所述上晶圆4载入并与所述下光路组件3构建所述下光路，以及用于将所述下晶圆5载入并与所述上光路组件2构建所述上光路；所述控制装置7还用于根据所述第一位置和所述第二位置对所述下晶圆5和所述上晶圆4的位置进行调整以对准所述下晶圆5和所述上晶圆4。

在本发明实施例中，首先，按设计的光路将光路装置中的各个光器件放置在设定的位置，使得激光光源11发出的光线可以依次通过反光镜、透射式光栅和透镜到达光电接收器；其中，上光路组件3的反光镜21和下光路组件3的反光镜31呈轴对称放置，上光路组件2的透射式光栅22和下光路组件3的透射式光栅32呈轴对称放置，上光路组件2的透镜23和下光路组件3的透镜33呈轴对称放置，上光路组件2的光电接收器24和下光路组件3的光电接收器34呈轴对称放置，且均为同一个对称轴；其中，各个所述光器件均放置在同一个平面中。然后，对光路装置进行校准。然后，通过在光路装置中分别载入上晶圆4和下晶圆5以分别获取上晶圆4的第二莫尔条纹和下晶圆5的第一莫尔条纹。由于控制装置7在夹持晶圆时有角度旋转和位移偏移，第一莫尔条纹和第二莫尔条纹相对于各自的光电接收器的零位有错位偏差。通过数据处理装置6对莫尔条纹的电信号进行变换、处理和计算，可分别得到第一莫尔条纹的零位错位值和第二莫尔条纹的零位错位值，也就是下晶圆位置的零位错位值和上晶圆位置的零位错位值。最后，控制装置7根据各自的零位错位值分别将上晶圆4和下晶圆5调整到零位，例如，根据第二莫尔条纹计算的上晶圆位置坐标为(1,4,0)，零位错位值即为(-1，-4,0)，控制装置7根据零位错位值调整修正上晶圆位置坐标，调整后上晶圆4处于零位坐标(0,0,0)。对晶圆位置的调整包括调整晶圆的水平位移和垂直位移以及调整晶圆的旋转角度。晶圆的反射式光栅是通过电镀或刻蚀等半导体工艺加工在晶圆上并与晶圆键合面平齐。

在现有技术中，需要拍摄对准标记的图像，其精度受对准系统光学结构的分辨率、景深限制以及受对准标记制造工艺等限制，比如，要实现亚微米级的对准，相应的图像制作需要亚微米级且光学观测能力也要达到亚微米级，而高放大倍数的光学系统视场小，难以完成整个图像的成像。本发明基于莫尔条纹来实现晶圆对准，能够将微小错位通过莫尔条纹的大距离移动而放大，从而便于普通放大倍数的光学系统观察。

本发明利用晶圆键合面嵌入的反射式光栅和光学对准系统中的透射式光栅叠加生成的莫尔条纹来测量非常细微的晶圆错位，可分辨晶圆间的旋转错位。本发明通过上光路和下光路两套光学组件分别获取下晶圆和上晶圆的位置，使得上晶圆和下晶圆的反射式光栅可面对面设置且均嵌于晶圆的键合面，从而避免了现有技术中两个晶圆的对准标记距离较大而造成的对准精度受限问题，并可实现全材料(透光或不透光)晶圆的纳米级高精度对准。

可选地，

所述光源组件1包括激光光源11和棱镜12(参见图1、图2和图3)；所述棱镜12用于将所述激光光源11发射的光束分为上偏振光和下偏振光以提供给所述上光路和所述下光路；

所述设定角度为45度角；

所述反射式光栅和所述透射式光栅的光栅常数相匹配；所述光线经过所述反射式光栅和所述透射式光栅后叠加生成所述莫尔条纹；

所述光电接收器包括光电二极管或CCD或PSD；

所述晶圆包括纳米级晶圆。

在本发明实施例中，所述反射式光栅和所述透射式光栅的光栅常数为亚微米级，两者的栅缝宽相等，光栅常数接近，比如，透射光栅栅距20μm，反射光栅栅距20.01μm，两个光栅栅缝宽均为10μm。由于不同光栅常数和不同图案光栅的错位放大能力不同，可试验对比后选择能够灵敏反应位移和角度旋转的光栅。光线通过晶圆的反射式光栅和光路装置中的透射式光栅后叠加生成莫尔条纹，莫尔条纹具有放大作用，可提升对晶圆位置的测量精度，从而提升晶圆对准精度。在本发明实施例中，光电接收器可以是阵列排布的光电二极管或者是电荷耦合元件CCD(Charge-coupled Device)或位置传感器PSD(PositionSensitive Device)。

可选地，

所述上光路组件2和所述下光路组件3均还包括光阑，所述光阑用于对所述透镜折射后的所述莫尔条纹进行滤波，经滤波后的所述莫尔条纹被所述光电接收器接收。在本发明实施例中，通过光阑滤波后，仅剩余±1级衍射条纹被光电接收器接收，可排除其他衍射条纹对数据处理的干扰。莫尔条纹的中央明纹居中，±1级的衍射条纹位于两侧；由于中央明纹宽度较大，单一用中央明纹中心判定零位错位值可能不准，因此还利用分居两侧的±1级衍射条纹的对称分布位置来计算零位错位值。

可选地，

在所述光电接收器中增加电子细分板，所述电子细分板集成在所述光电接收器中，所述电子细分板用于对所述电信号进行细分以提升对准精度；所述电子细分板对所述电信号进行细分包括：直接细分、移项电阻链法细分、鉴相细分或幅值分割法细分。在本发明实施例中，可在光电接收器中增加电子细分板，对电信号进行细分，从而进一步提升晶圆的对准精度。细分方式有多种，比如直接细分，利用四个过零比较器对电信号进行四倍频细分，通过信号上升沿或下降沿出现的方向灵敏判断莫尔条纹的移动方向。电子细分板可包括微分电路或电阻链。

可选地，

在所述上晶圆4和或所述下晶圆5的所述键合面嵌入压电模块，所述压电模块用于在调整所述上晶圆4和所述下晶圆5的纵向位置时通过压电信息判断所述上晶圆4和所述下晶圆5之间是否达到极窄间距。在本发明实施例中，当两个晶圆之间几乎零距离接近时，会因表面TTV的影响产生局部的接触，接触部位的压电传感器会感受到压力并产生压电信息，表明两个晶圆处于几乎零距离的极窄间距状态。在本发明实施例中，压电模块有两种集成在晶圆上的方式，一种是制造好的压电传感器贴附于晶圆上，通过在晶圆上加工凹槽等方法使传感器表面基本平齐于晶圆表面；另一种是直接在晶圆上通过半导体工艺集成压电传感器。

可选地，

所述光源组件1包括采用笼式结构进行位置校准的两个激光光源11。在本发明实施例中，若采用两个激光光源11，需要通过笼式结构将两个激光光源11的相对位置固定，即保持两个激光光源11之间的垂直距离固定且保持两个激光光源11的水平坐标一致，如图4所示。

本发明第二方面提供一种基于莫尔条纹的晶圆键合对准方法，该方法基于本发明第一方面提供的基于莫尔条纹的晶圆键合对准系统；如图5所示，该晶圆键合对准方法包括如下步骤S1至S4：

在步骤S1中，对光路装置进行校准，使得光线经过反光镜、透射式光栅和透镜后到达光电接收器，并使得上光路组件2的光电接收器24的零位和下光路组件3的光电接收器34的所述零位对准。在本发明实施例中，当晶圆TTV在纳米级时，如图6所示，通过笼式结构固定光电接收器和透镜的相对位置，上偏振光和下偏振光都投射出去，然后调整各个光器件使得上光路组件2的光电接收器24和下光路组件3的光电接收器34都能接收到衍射光束且衍射光束的中央明条纹对准光电接收器的零位。当晶圆TTV在亚微米级时，如图7所示，需要采用校准玻璃板8来实现光束微移场景下的校准，单独投射上偏振光并通过校准玻璃板8的反射和折射为上光路组件2的光电接收器24和下光路组件3的光电接收器34同时提供衍射光，调整各个光器件使得衍射光的中央明条纹都位于各自光电接收器的零位；然后单独投射下偏振光，调整各个光器件使得上下两个衍射光都位于各自光电接收器的零位；再复验上偏振光，反复调整，直到上下偏振光各自投射时，都能达到上下衍射光的中央明条纹都位于各自光电接收器的零位为止。

在步骤S2中，控制装置7将上晶圆4载入到所述下光路组件3的反光镜31与透射式光栅32之间以构建下光路；调整所述上晶圆4的位置，使得光线在所述下光路中按第一路径传播到达所述下光路组件3的光电接收器34；所述第一路径传播如下：

所述光线以设定角度入射到所述反光镜31，经所述反光镜31反光后以所述设定角度入射到所述上晶圆4的反射式光栅41，经所述反射式光栅41反射后以所述设定角度入射到所述透射式光栅32并得到第二莫尔条纹，所述第二莫尔条纹经透镜33折射后垂直进入所述光电接收器34；

所述下光路组件3的光电接收器34将所述第二莫尔条纹转换为电信号并传递给数据处理装置6；所述数据处理装置6对所述电信号进行分析处理得到所述上晶圆4的第二位置。

在本发明实施例中，如图3所示，通过控制装置7的机械臂将上晶圆4夹持载入校准后的光路装置中并置于下光路组件3的反光镜31和透射式光栅32之间且置于对称轴上，调整上晶圆4的位置和角度，使得上晶圆4的反射式光栅41将来自反光镜31的光线反射到透射式光栅32上并叠加生成第二莫尔条纹，第二莫尔条纹通过透镜33折射后垂直进入光阑35后进入光电接收器34。光电接收器34将光信号转换为电信号并传递给数据处理装置6，数据处理装置6对电信号进行变换处理得到第二莫尔条纹的零位错位值。

在步骤S3中，所述控制装置7将所述上晶圆4从所述下光路中移出；所述控制装置7将下晶圆5载入到所述上光路组件2的反光镜21与透射式光栅22之间以构建上光路；调整所述下晶圆5的位置，使得光线在所述上光路中按第二路径传播到达所述上光路组件2的光电接收器24；所述第二路径传播如下：

所述光线以所述设定角度入射到所述反光镜21，经所述反光镜21反光后以所述设定角度入射到所述下晶圆5的反射式光栅51，经所述反射式光栅51反射后以所述设定角度入射到所述透射式光栅22并得到第一莫尔条纹，所述第一莫尔条纹经透镜23折射后垂直进入所述光电接收器24；

所述上光路组件2的光电接收器24将所述第一莫尔条纹转换为电信号并传递给所述数据处理装置6；所述数据处理装置6对所述电信号进行分析处理得到所述下晶圆5的第一位置。

在本发明实施例中，如图2所示，通过控制装置7的机械臂将上晶圆4移出，通过控制装置7的机械臂将下晶圆5夹持载入校准后的光路装置中并置于上光路组件2的反光镜21和透射式光栅22之间且置于对称轴上，调整下晶圆5的位置和角度，使得下晶圆5的反射式光栅51将来自反光镜21的光线反射到透射式光栅22上并叠加生成第一莫尔条纹，第一莫尔条纹通过透镜23折射后垂直进入光阑25后进入光电接收器24。光电接收器24将光信号转换为电信号并传递给数据处理装置6，数据处理装置6对电信号进行变换处理得到第一莫尔条纹的零位错位值。

在步骤S4中，所述控制装置7根据所述第一位置和所述第二位置对所述下晶圆5和所述上晶圆4的位置进行调整以对准所述下晶圆5和所述上晶圆4。在本发明实施例中，控制装置7根据数据处理装置6在步骤S3和S4中计算得到的两个零位错位值来分别调整上晶圆位置和下晶圆位置，从而使上晶圆4和下晶圆5对准，如图8所示。

可选地，

光源组件包括激光光源11和棱镜12；所述棱镜12用于将所述激光光源11发射的光束分为上偏振光和下偏振光以提供给所述上光路和所述下光路；

所述设定角度为45度角；

所述上光路组件2和所述下光路组件3均还包括光阑，所述光阑用于对所述透镜折射后的所述莫尔条纹进行滤波，经滤波后的所述莫尔条纹被所述光电接收器接收。

可选地，当所述上晶圆TTV和所述下晶圆TTV在纳米级时，所述对光路装置进行校准(参见图6)包括：

按设定光路路径将所述光路装置的各个光器件放置在相应的设定位置上，所述设定位置适于所述光线经过各个所述光器件并到达所述光电接收器；

提供笼式结构；通过所述笼式结构将所述上光路组件2的所述光电接收器24和所述透镜23以及所述下光路组件3的所述光电接收器34和所述透镜33的相对位置固定，且保持所述上光路组件2和所述下光路组件3的相应的所述光器件之间轴对称；

开启光源组件1；

调整所述光路装置的所述光器件，使得所述光线以所述设定角度入射所述反光镜且经所述透射式光栅和所述透镜后到达所述光电接收器，所述上光路组件2的所述光电接收器24和所述下光路组件3的所述光电接收器34都能接收到衍射光且所述衍射光的中央明条纹都位于所述光电接收器的零位。

在本发明实施例中，当所述上晶圆TTV和所述下晶圆TTV在纳米级时，如图6所示，通过笼式结构固定光电接收器和透镜的相对位置，上偏振光和下偏振光都投射出去，然后调整各个光器件使得上光路组件2的光电接收器24和下光路组件3的光电接收器34都能接收到衍射光且衍射光的中央明条纹都对准光电接收器的零位。采用笼式结构固定后，两个光电接收器之间的垂直距离固定，两个透镜之间的垂直距离固定，且固定在笼式结构中的各个光器件的水平坐标一致，这样能保证上光路组件2的光电接收器24和下光路组件3的光电接收器34的零位对准，从而使下晶圆位置和上晶圆位置有统一的计算基准。采用笼式结构固定的各个光器件由于相对位置固定而不能单独调整其中的各个光器件的位置，各个光器件的位置可以随笼式结构进行整体调整。

可选地，当所述上晶圆TTV和所述下晶圆TTV在亚微米时，所述对光路装置进行校准(参见图7)包括：

按设定光路路径将所述光路装置的各个光器件放置在相应的设定位置上，所述设定位置适于所述光线经过各个所述光器件并到达所述光电接收器；

提供一块校准玻璃板8，放置于所述反光镜和所述透射式光栅之间；

开启所述激光光源11，使所述光线进入所述棱镜12，所述光线被分为所述上偏振光和所述下偏振光；

将所述下偏振光遮住，所述上偏振光以所述设定角度进入所述上光路组件2的所述反光镜21且经所述反光镜21反光后以所述设定角度进入所述校准玻璃板8，部分所述上偏振光被所述校准玻璃板8反射后以设定角度进入所述上光路组件2的所述透射式光栅22并得到第一衍射光，同时，部分所述上偏振光经所述校准玻璃板8折射后以设定角度进入所述下光路组件3的所述透射式光栅32并得到第二衍射光；所述第二衍射光经所述下光路组件3的所述透镜33和所述光阑35后垂直进入所述光电接收器34；所述第一衍射光经所述上光路组件2的所述透镜23和所述光阑25后垂直进入所述光电接收器24；调整各个所述光器件以及所述校准玻璃板8的位置，使所述第一衍射光处于所述上光路组件2的所述光电接收器24的零位且使所述第二衍射光处于所述下光路组件3的所述光电接收器34的所述零位；

将所述上偏振光遮住，取消对所述下偏振光的遮挡，使所述下偏振光以所述设定角度进入所述下光路组件3的所述反光镜31且经所述反光镜31反光后以所述设定角度进入所述校准玻璃板8，部分所述下偏振光被所述校准玻璃板8反射后以设定角度进入所述下光路组件3的所述透射式光栅32并得到第三衍射光，同时，部分所述下偏振光经所述校准玻璃板8折射后以设定角度进入所述上光路组件2的所述透射式光栅22并得到第四衍射光；所述第四衍射光经所述上光路组件2的所述透镜23和所述光阑25后垂直进入所述光电接收器24；所述第三衍射光经所述下光路组件3的所述透镜33和所述光阑35后垂直进入所述光电接收器34；调整各个所述光器件以及所述校准玻璃板的8位置，使所述第三衍射光处于所述下光路组件3的所述光电接收器34的所述零位且使所述第四衍射光处于所述上光路组件2的所述光电接收器24的所述零位；

重复基于所述上偏振光和所述下偏振光对各个所述光器件的位置进行校准，直到所述第一衍射光、所述第二衍射光、所述第三衍射光和所述第四衍射光在多次重复校准后都处于相应的所述光电接收器的所述零位为止。

在本发明实施例中，当晶圆TTV在亚微米级时，如图7所示，需要采用校准玻璃板8来实现光束微移场景下的校准，校准玻璃板8的厚度根据晶圆间间隙和玻璃折射率来确定。首先，单独投射上偏振光并通过校准玻璃板8的反射和折射为上光路组件2的光电接收器24和下光路组件3的光电接收器34同时提供衍射光，调整各个光器件的位置和角度，使得衍射光的中央明条纹都位于各自光电接收器的零位；然后，单独投射下偏振光，调整各个光器件的位置和角度，使得上下两个衍射光的中央明条纹都位于各自光电接收器的零位；再复验上偏振光的校准，反复调整，直到上下偏振光各自投射时，都能达到上下衍射光的中央明条纹都位于各自光电接收器的零位为止。在本发明实施例中，图9为采用校准玻璃板8校准时的局部细节光路。首先，进行上光路校准，当上下光电接收器都能接收到衍射光且衍射光的中央明条纹位于光电接收器零位(中央位置)时，下透射式光栅处于N’位置；然后，进行下光路校准，将下透射式光栅从N’位置沿Z轴移至N位置，移动距离Dc＝(d·sini)/(n²-sin²i)^1/2(d为玻璃板厚度，i为入射角，n为玻璃板折射率)，上透射式光栅保持在M位置不动。在下光路校准时，如若能通过下光电接收器观察到衍射光的中央明条纹处于光电接收器零位，则表示系统校准完成。如若未接收到中央明条纹处于光电接收器零位的衍射光，则需要调整下透射式光栅的位置，重新确定一个N位置，然后调整上透射式光栅到一个新的M’位置，使上下光电接收器都能在零位得到衍射光的中央明条纹；接着，将上透射式光栅由新的M’位置沿Z轴补偿移动Dc距离，再重新进行一次上光路复校准。如果单次校准不能达到目标，则需要多次校准，直到上下光路均能得到中央明条纹处于光电接收器零位的衍射光。

本发明利用晶圆键合面嵌入的反射式光栅和光学对准系统中的透射式光栅叠加生成的莫尔条纹来测量非常细微的晶圆错位，通过莫尔条纹的放大作用来提升晶圆位置计算的精确性，从而提升了晶圆键合对准精度，还可以分辨晶圆间的旋转错位。本发明通过上光路和下光路两套光学组件分别获取下晶圆和上晶圆的位置，使得上晶圆和下晶圆的反射式光栅可面对面设置且均可嵌于晶圆的键合面，从而避免了现有技术中两个晶圆的对准标记距离较大而造成的对准精度受限问题，也无需要求晶圆材料种类，可实现全材料(透光或不透光)晶圆的纳米级高精度对准。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于莫尔条纹的晶圆键合对准系统，其特征在于，包括：光路装置、数据处理装置和控制装置；

所述光路装置包括光源组件、上光路组件和下光路组件；所述上光路组件和所述下光路组件的光器件均包括反光镜、透射式光栅、透镜和光电接收器；所述上光路组件用于和下晶圆构建上光路，所述上光路用于获取第一莫尔条纹；所述下光路组件用于和上晶圆构建下光路，所述下光路用于获取第二莫尔条纹；所述上晶圆和所述下晶圆均包括反射式光栅且所述反射式光栅嵌于晶圆键合面；所述上光路和所述下光路分时工作；

在所述上光路中以及在所述下光路中，来自所述光源组件的光线的传播路径均为：所述光线以设定角度入射到所述反光镜，且经所述反光镜反光后以所述设定角度入射到所述反射式光栅，且经所述反射式光栅反射后以所述设定角度入射到所述透射式光栅并得到莫尔条纹，所述莫尔条纹经所述透镜折射后垂直进入所述光电接收器；所述光电接收器用于将光信号转换为电信号并提供给所述数据处理装置；

所述数据处理装置与所述光电接收器相连，所述数据处理装置用于根据所述第一莫尔条纹的所述电信号确定所述下晶圆的第一位置，以及用于根据所述第二莫尔条纹的所述电信号确定所述上晶圆的第二位置；

所述控制装置与所述数据处理装置相连，所述控制装置用于将所述上晶圆载入并与所述下光路组件构建所述下光路，以及用于将所述下晶圆载入并与所述上光路组件构建所述上光路；所述控制装置还用于根据所述第一位置和所述第二位置对所述下晶圆和所述上晶圆的位置进行调整以对准所述下晶圆和所述上晶圆。

2.根据权利要求1所述的晶圆键合对准系统，其特征在于，

所述光源组件包括激光光源和棱镜；所述棱镜用于将所述激光光源发射的光束分为上偏振光和下偏振光以提供给所述上光路和所述下光路；

所述设定角度为45度角；

所述反射式光栅和所述透射式光栅的光栅常数相匹配；所述光线经过所述反射式光栅和所述透射式光栅后叠加生成所述莫尔条纹；

所述光电接收器包括光电二极管或CCD或PSD；

所述晶圆包括纳米级晶圆。

3.根据权利要求1所述的晶圆键合对准系统，其特征在于，所述上光路组件和所述下光路组件均还包括光阑，所述光阑用于对所述透镜折射后的所述莫尔条纹进行滤波，经滤波后的所述莫尔条纹被所述光电接收器接收。

4.根据权利要求1所述的晶圆键合对准系统，其特征在于，

在所述光电接收器中增加电子细分板，所述电子细分板集成在所述光电接收器中，所述电子细分板用于对所述电信号进行细分以提升对准精度；所述电子细分板对所述电信号进行细分包括：直接细分、移项电阻链法细分、鉴相细分或幅值分割法细分。

5.根据权利要求1所述的晶圆键合对准系统，其特征在于，在所述上晶圆和/或所述下晶圆的所述键合面嵌入压电模块，所述压电模块用于在调整所述上晶圆和所述下晶圆的纵向位置时通过压电信息判断所述上晶圆和所述下晶圆之间是否达到极窄间距。

6.根据权利要求1所述的晶圆键合对准系统，其特征在于，所述光源组件包括采用笼式结构进行位置校准的两个激光光源。

7.一种基于莫尔条纹的晶圆键合对准方法，基于如权利要求1所述的晶圆键合对准系统，其特征在于，包括：

对光路装置进行校准，使得光线经过反光镜、透射式光栅和透镜后到达光电接收器，并使得上光路组件的光电接收器的零位和下光路组件的光电接收器的零位对准；

控制装置将上晶圆载入到所述下光路组件的反光镜与透射式光栅之间以构建下光路；调整所述上晶圆的位置，使得光线在所述下光路中按第一路径传播到达所述下光路组件的光电接收器；所述第一路径传播如下：

所述光线以设定角度入射到所述反光镜，经所述反光镜反光后以所述设定角度入射到所述上晶圆的反射式光栅，经所述反射式光栅反射后以所述设定角度入射到所述透射式光栅并得到第二莫尔条纹，所述第二莫尔条纹经透镜折射后垂直进入所述光电接收器；

所述下光路组件的光电接收器将所述第二莫尔条纹转换为电信号并传递给数据处理装置；所述数据处理装置对所述电信号进行分析处理得到所述上晶圆的第二位置；

所述控制装置将所述上晶圆从所述下光路中移出；所述控制装置将下晶圆载入到所述上光路组件的反光镜与透射式光栅之间以构建上光路；调整所述下晶圆的位置，使得光线在所述上光路中按第二路径传播到达所述上光路组件的光电接收器；所述第二路径传播如下：

所述光线以所述设定角度入射到所述反光镜，经所述反光镜反光后以所述设定角度入射到所述下晶圆的反射式光栅，经所述反射式光栅反射后以所述设定角度入射到所述透射式光栅并得到第一莫尔条纹，所述第一莫尔条纹经透镜折射后垂直进入所述光电接收器；

所述上光路组件的光电接收器将所述第一莫尔条纹转换为电信号并传递给所述数据处理装置；所述数据处理装置对所述电信号进行分析处理得到所述下晶圆的第一位置；

所述控制装置根据所述第一位置和所述第二位置对所述下晶圆和所述上晶圆的位置进行调整以对准所述下晶圆和所述上晶圆。

8.根据权利要求7所述的晶圆键合对准方法，其特征在于，

光源组件包括激光光源和棱镜；所述棱镜用于将所述激光光源发射的光束分为上偏振光和下偏振光以提供给所述上光路和所述下光路；

所述设定角度为45度角；

所述上光路组件和所述下光路组件均还包括光阑，所述光阑用于对所述透镜折射后的所述莫尔条纹进行滤波，经滤波后的所述莫尔条纹被所述光电接收器接收。

9.根据权利要求7所述的晶圆键合对准方法，其特征在于，当所述上晶圆TTV和所述下晶圆TTV在纳米级时，所述对光路装置进行校准包括：

按设定光路路径将所述光路装置的各个光器件放置在相应的设定位置上，所述设定位置适于所述光线经过各个所述光器件并到达所述光电接收器；

提供笼式结构；通过所述笼式结构将所述上光路组件的所述光电接收器和所述透镜以及所述下光路组件的所述光电接收器和所述透镜的相对位置固定，且保持所述上光路组件和所述下光路组件的相应的所述光器件之间轴对称；

开启光源组件；

调整所述光路装置的所述光器件，使得所述光线以所述设定角度入射所述反光镜且经所述透射式光栅和所述透镜后到达所述光电接收器，所述上光路组件的所述光电接收器和所述下光路组件的所述光电接收器都能接收到衍射光且所述衍射光都位于所述光电接收器的所述零位。

10.根据权利要求8所述的晶圆键合对准方法，其特征在于，当所述上晶圆TTV和所述下晶圆TTV在亚微米时，所述对光路装置进行校准包括：

按设定光路路径将所述光路装置的各个光器件放置在相应的设定位置上，所述设定位置适于所述光线经过各个所述光器件并到达所述光电接收器；

提供一块校准玻璃板，放置于所述反光镜和所述透射式光栅之间；

开启所述激光光源，使所述光线进入所述棱镜，所述光线被分为所述上偏振光和所述下偏振光；

将所述下偏振光遮住，所述上偏振光以所述设定角度进入所述上光路组件的所述反光镜且经所述反光镜反光后以所述设定角度进入所述校准玻璃板，部分所述上偏振光被所述校准玻璃板反射后以设定角度进入所述上光路组件的所述透射式光栅并得到第一衍射光，同时，部分所述上偏振光经所述校准玻璃板折射后以设定角度进入所述下光路组件的所述透射式光栅并得到第二衍射光；所述第二衍射光经所述下光路组件的所述透镜和所述光阑后垂直进入所述光电接收器；所述第一衍射光经所述上光路组件的所述透镜和所述光阑后垂直进入所述光电接收器；调整各个所述光器件以及所述校准玻璃板的位置，使所述第一衍射光处于所述上光路组件的所述光电接收器的所述零位且使所述第二衍射光处于所述下光路组件的所述光电接收器的所述零位；

将所述上偏振光遮住，取消对所述下偏振光的遮挡，使所述下偏振光以所述设定角度进入所述下光路组件的所述反光镜且经所述反光镜反光后以所述设定角度进入所述校准玻璃板，部分所述下偏振光被所述校准玻璃板反射后以设定角度进入所述下光路组件的所述透射式光栅并得到第三衍射光，同时，部分所述下偏振光经所述校准玻璃板折射后以设定角度进入所述上光路组件的所述透射式光栅并得到第四衍射光；所述第四衍射光经所述上光路组件的所述透镜和所述光阑后垂直进入所述光电接收器；所述第三衍射光经所述下光路组件的所述透镜和所述光阑后垂直进入所述光电接收器；调整各个所述光器件以及所述校准玻璃板的位置，使所述第三衍射光处于所述下光路组件的所述光电接收器的所述零位且使所述第四衍射光处于所述上光路组件的所述光电接收器的所述零位；

重复基于所述上偏振光和所述下偏振光对各个所述光器件的位置进行校准，直到所述第一衍射光、所述第二衍射光、所述第三衍射光和所述第四衍射光在多次重复校准后都处于相应的所述光电接收器的所述零位为止。

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