CN113793821B - 键合设备及键合过程的监控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种键合设备，包括承载台、下卡盘、上卡盘、顶针、多组光感传感器和控制单元；所述承载台用于承载所述下卡盘，所述下卡盘用于固定第一晶圆，所述上卡盘用于固定第二晶圆，所述顶针可穿过所述上卡盘以下压所述第二晶圆；所述多组光感传感器位于所述承载台上，每个所述光感传感器的高度高于所述第一晶圆预定高度，每个光感传感器包括光发射单元和光接收单元，所述光发射单元与所述光接收单元相对设置；所述控制单元根据所述光接收单元获得的光信号判断第二晶圆的下压过程中的形变量是否正常。本发明解决了晶圆向下移动不顺畅或者移动偏心的问题，提高了晶圆键合的质量。

Description

键合设备及键合过程的监控方法
技术领域
本发明涉及半导体器件技术领域，特别涉及一种键合设备及键合过程的监控方法。
背景技术
随着半导体技术的不断发展，晶圆键合技术得到了广泛的应用，晶圆键合技术是通过键合技术将两片晶圆粘合在一起，实现两片晶圆的垂直互联。
在三维集成工艺中,晶圆键合是整个工艺流程中至关重要的核心制程，而键合力又是键合制程中的关键指标，它决定了产品边缘的缺陷和产品良率以及产品之后的可靠性。
当前晶圆键合机台能有效检测晶圆键合之前对准过程，但是关键过程晶圆键合过程却无法有效监控。
晶圆键合步骤将影响晶圆对准精度、晶圆键合强度等指标，进一步影响以后产品的可靠性指标。其中，晶圆键合步骤中，晶圆向下移动不顺畅或者移动偏心时，晶圆键合会导致两片晶圆微滑片或者晶圆畸形，从而影响晶圆键合的质量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种键合设备及键合过程的监控方法，以解决晶圆键合步骤中，晶圆向下移动不顺畅或者移动偏心时，晶圆键合会导致两片晶圆微滑片或者晶圆畸形，影响晶圆键合的质量的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种键合设备，包括：
包括承载台、下卡盘、上卡盘、顶针、多组光感传感器和控制单元；
所述承载台用于承载所述下卡盘，所述下卡盘用于固定第一晶圆，所述上卡盘用于固定第二晶圆，所述顶针可穿过所述上卡盘以下压所述第二晶圆；
所述多组光感传感器位于所述承载台上，每个所述光感传感器的高度高于所述第一晶圆预定高度，每个光感传感器包括光发射单元和光接收单元，所述光发射单元与所述光接收单元相对设置；所述光感传感器的光发射单元用于发射平行于所述第一晶圆表面的光线，所述光接收单元用于接收所述光发射单元发出的光线；
所述控制单元根据所述光接收单元获得的光信号判断第二晶圆的下压过程中的形变量是否正常。
可选的，所述光接收单元接收的图像包括阻挡区和感光区，所述控制单元根据所述光接收单元获得的光信号判断第二晶圆的下压过程中的形变量是否正常的步骤包括：
若所述阻挡区的面积在第一预设值和第二预设值之间且所述阻挡区位于所述顶针的对称的两侧，则判定第二晶圆的下压过程中的形变量正常；
若所述阻挡区的面积小于第一预设值，则判定第二晶圆的下压过程中所述顶针未下压到位，所述第二晶圆的形变未达到预设要求；
若所述阻挡区的面积大于第二预设值且偏离所述顶针的中心，则判定所述顶针下压引起所述第二晶圆不规则形变。
可选的，所述多组光感传感器环绕所述第二晶圆均匀设置。
可选的，所述预定高度为与所述第一晶圆距离为50μm -500μm。
可选的，所述光发射单元为短波发射器，所述光接收单元为短波感应器。
可选的，所述控制单元与顶针连接，用于控制顶针下压所述第二晶圆。
可选的，所述上卡盘和所述下卡盘包括装载针，所述装载针上设置有真空孔。
可选的，所述上卡盘和所述下卡盘还包括：装载孔，所述装载针位于所述装载孔中，并可在所述装载孔中移动。
可选的，若第二晶圆的下压过程中的形变量异常，所述控制单元调整顶针位置。
基于同一发明构思，本发明还提供一种键合过程的监控方法，利用上述任一项所述的键合设备进行监控，包括：
利用下卡盘固定第一晶圆，利用上卡盘固定第二晶圆，通过顶针向所述第二晶圆施加键合压力；
光感传感器的光发射单元发射平行于所述第一晶圆表面的光线，光感传感器的光接收单元接收所述光发射单元发出的光线；
控制单元根据所述光接收单元获得的光信号判断所述第二晶圆的下压过程中的形变量是否正常。
可选的，所述光接收单元接收的图像包括阻挡区和感光区，所述控制单元根据所述光接收单元获得的光信号判断第二晶圆的下压过程中的形变量是否正常的步骤，包括：
若所述阻挡区的面积在第一预设值和第二预设值之间且所述阻挡区位于所述顶针的对称的两侧，则判定第二晶圆的下压过程中的形变量正常；
若所述阻挡区的面积小于第一预设值，则判定第二晶圆的下压过程中所述顶针未下压到位，所述第二晶圆的形变未达到预设要求；
若所述阻挡区的面积大于第二预设值且偏离所述顶针的中心，则判定所述顶针下压引起所述第二晶圆不规则形变。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
在本发明提供的一种键合设备及键合过程的监控方法中，通过在第二晶圆周围的承载台上设置多种光感传感器，所述光感传感器的高度高于所述第一晶圆上预定高度，每个光感传感器包括光发射单元和光接收单元，所述光发射单元与所述光接收单元相对设置；所述光感传感器的光发射单元用于发射平行于所述第一晶圆表面的光线、光接收单元用于接收光发射单元发出的光线；所述控制单元根据所述光接收单元获得的光信号判断第二晶圆的下压过程中的形变量是否正常，通过监控晶圆键合步骤中，晶圆向下移动过程中的形变量是否正常，从而发现晶圆键合步骤中，晶圆向下移动不顺畅或者移动偏心的问题并进行调整，提高了晶圆键合的质量。
附图说明
图1是现有技术中键合过程的顶针未下压到位示意图；
图2是现有技术中键合过程的顶针移动偏心示意图；
图3是本发明实施例的键合设备示意图；
图4是本发明实施例的键合设备中卡盘与晶圆的位置关系示意图；
图5是本发明实施例的键合设备中光感传感器的分布示意图；
图6是本发明实施例的键合设备中光感传感器的光路示意图；
图7是本发明实施例的键合过程中第二晶圆形变正常的图像；
图8是本发明实施例的键合过程中第二晶圆形变异常的图像；
图9是本发明实施例的键合过程中第二晶圆形变另一异常的图像；
图10是本发明实施例的键合过程的监控方法流程图；
图中，
10-承载台；11-第一晶圆；12-第二晶圆；13-顶针；14a-光发射单元；14b-光接收单元；15-下卡盘；16-上卡盘；17-感光区；18-阻挡区。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种键合设备及键合过程的监控方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。
发明人研究发现，键合设备可以包括上卡盘和下卡盘，下卡盘用于吸附第一晶圆11，上卡盘用于吸附第二晶圆12，在键合过程中，上卡盘中部由顶针13向第二晶圆12施加压力，使第二晶圆12的中部向第一晶圆11方向靠近并接触，在第二晶圆12形变过程中，键合波从晶圆中心向边缘移动，进而由中心至边缘依次释放上晶圆的吸附真空，从而使第二晶圆和第一晶圆在键合波作用下完成键合。在晶圆键合过程中，当第一晶圆11和第二晶圆12完成对准之后，在第二晶圆表面顶针13向下施加压力，使两片晶圆键合在一起。如图1和图2所示，在顶针13向下运动对第二晶圆12施加作用力的过程中，第二晶圆12的形变及作用力无法监控，因此存在如下风险：第一，顶针13向下移动不够顺畅，在指定时间内作用力未施加在第二晶圆12表面。第二，顶针13向下顶的过程中，顶针13移动偏心，导致作用在第二晶圆12表面的力不均匀。若顶针13向下移动不顺畅或者移动偏心时，晶圆键合会导致两片晶圆微滑片或者晶圆畸变。从而影响晶圆键合质量。
基此，在本发明实的核心思想在于，通过在第二晶圆四周的承载台上设置多种光感传感器，所述光感传感器的高度高于所述第一晶圆上预定高度，每个光感传感器包括光发射单元和光接收单元，所述光发射单元与所述光接收单元相对设置；所述光感传感器的光发射单元用于发射平行于所述第一晶圆表面的光线、光接收单元用于接收光发射单元发出的光线；控制单元，所述控制单元与所述光发射单元和光接收单元连接，所述控制单元根据所述光接收单元获得的光信号判断第二晶圆的下压过程中的形变量是否正常，通过监控晶圆键合步骤中，晶圆向下移动过程中的形变量是否正常，从而发现晶圆键合步骤中，晶圆向下移动不顺畅或者移动偏心的问题并进行调整，提高了晶圆键合的质量。
为了更好地理解本申请的技术方案和技术效果，以下将结合附图对具体的实施例进行详细的描述。
图3是本发明实施例的键合设备示意图；图4是本发明实施例的键合设备中卡盘与晶圆的位置关系示意图；如图3和图4所示，本实施例提供一种键合设备，包括：承载台10、下卡盘15、上卡盘16、顶针13、多组光感传感器和控制单元；所述承载台10用于承载所述下卡盘15，所述下卡盘15用于固定第一晶圆11；所述上卡盘16用于固定第二晶圆12，所述顶针13沿其轴向穿过所述上卡盘16，所述顶针13用于下压所述第二晶圆12；多组光感传感器，所述多组光感传感器位于所述承载台10上，所述光感传感器的高度高于所述第一晶圆上预定高度，每组光感传感器包括光发射单元14a和光接收单元14b，所述光发射单元14a与所述光接收单元14b相对设置；所述光感传感器的光发射单元14a用于发射平行于所述第一晶圆表面的光线、所述光接收单元14b用于接收所述光发射单元14a发出的光线；控制单元（图中未示出），所述控制单元与所述光发射单元和光接收单元连接，所述控制单元根据所述光接收单元14b获得的光信号判断第二晶圆12的下压过程中的形变量是否正常。
进一步的，若第二晶圆12的下压过程中的形变量异常，则通过查找导致第二晶圆12的下压过程中的形变量异常的原因，并进行调整。在晶圆键合的过程中，引起第二晶圆12的下压过程中的形变量异常的因素很多，例如是第二晶圆12的下压过程中顶针13未下压到位，所述第二晶圆12的形变未达到预设要求，以及顶针13下压引起第二晶圆12不规则形变，所述第二晶圆12不是从第二晶圆的表面中心区域开始受力，，若是由于顶针引起的第二晶圆12的下压过程中的形变量异常，则所述控制单元调整顶针13的位置，以保证第二晶圆12的下压过程中的形变量正常，进而提高晶圆键合的质量。
图5是本发明实施例的键合设备中光感传感器的分布示意图；如图5所示，所述多组光感传感器环绕所述第二晶圆均匀的设置在所述承载台10上，所述多组光感传感器的横向数量和纵向数量例如是各10-300组。所述光发射单元14a与所述光接收单元14b相对设置。所述光发射单元14a例如是短波发射器，所述光接收单元14b例如是短波感应器。
如图1和图6所示，所述光发射单元发出的平行于所述第一晶圆表面的光线位于所述第一晶圆11和第二晶圆12中间，所述光感传感器的高度高于所述第一晶圆上预定高度，所述预定高度例如是距离所述第一晶圆例如是50μm-500μm的高度。
图6是本发明实施例的键合设备中光感传感器的光路示意图；图7是本发明实施例的键合过程中第二晶圆形变正常的图像；如图6和图7所示，在第二晶圆下压的过程中的预定时刻，所述光发射单元14a发出的光线会被所述第二晶圆12的形变部分挡住，因此，所述光接收单元14b接收的图像包括阻挡区18和感光区17，其中，所述预定时刻例如是键合到一半的时刻，所述第一晶圆11与第二晶圆12的键合过程为自中心向周边逐渐接触的过程。
所述控制单元与所述顶针13连接，所述控制单元用于控制所述顶针13下压所述第二晶圆12。所述上卡盘16和所述下卡盘15还括装载针（图中未示出），所述装载针上设置有真空孔，所述上卡盘16通过真空吸力吸附第二晶圆12，所述下卡盘15通过真空吸力吸附第一晶圆11。所述上卡盘16和所述下卡盘15还包括装载孔（图中未示出），所述装载针位于所述装载孔中，并可在所述装载孔中移动。
进一步的，所述控制单元根据所述光接收单元14b获得的光信号判断第二晶圆12的下压过程中的形变量是否正常，包括：
如图7所示，所述阻挡区18的面积在第一预设值和第二预设值之间且所述阻挡区18位于所述顶针13的对称的两侧，则判定第二晶圆12的下压过程中的形变量正常。其中，所述阻挡区18的面积的第一预设值和第二预设值根据所述第二晶圆面积设定，所述第一预设值为所述阻挡区正常面积的下限值，所述第二预设值为所述阻挡区正常面积的上限值，所述阻挡区18的面积的第一预设值和第二预设值本领域技术人员根据实际情况确定，本实施例对此不予限制。
图8是本发明实施例的键合过程中第二晶圆形变异常的图像；如图8所示，所述阻挡区18的面积小于第一预设值，则判定第二晶圆12的下压过程中，顶针13开始键合时未下压到位，所述第二晶圆的形变未达到预设要求；
图9是本发明实施例的键合过程中第二晶圆形变另一异常的图像；如图9所示，所述阻挡区18的大于第二预设值且偏离顶针13的中心，则判定顶针13下压引起第二晶圆12不规则形变，也即是说，所述第二晶圆12不是从第二晶圆的表面中心区域开始受力。
图10是本发明实施例的键合过程的监控方法流程图；如图10所示，本实施例还提供一种键合过程的监控方法，包括：利用上述所述的键合设备进行监控，在下卡盘和上卡盘上分别吸附第一晶圆和第二晶圆，且顶针向第二晶圆施加键合压力之后，进行键合波的监控，所述监控的方法包括：
步骤S10，利用下卡盘固定第一晶圆，利用上卡盘固定第二晶圆，通过顶针向所述第二晶圆施加键合压力；
步骤S20，光感传感器的光发射单元发射平行于所述第一晶圆表面的光线，光感传感器的光接收单元接收所述光发射单元发出的光线；
步骤S30，控制单元根据所述光接收单元获得的光信号判断所述第二晶圆的下压过程中的形变量是否正常。
在步骤S10中，在第二晶圆下压的过程中的预定时刻，所述光发射单元14a发出的光线会被所述第二晶圆12的形变部分挡住，其中，所述预定蚀刻例如是键合到一半的时刻，所述第一晶圆与第二晶圆的键合过程为自中心向周边逐渐接触的过程。
在步骤S30中，所述光接收单元接收的图像包括阻挡区和感光区，所述控制单元根据所述光接收单元获得的光信号判断第二晶圆的下压过程中的形变量是否正常，包括：
所述阻挡区的面积在第一预设值和第二预设值之间且所述阻挡区位于所述顶针的对称的两侧，则判定第二晶圆的下压过程中的形变量正常；其中，所述阻挡区18的面积的第一预设值和第二预设值根据所述第二晶圆面积设定，所述第一预设值为所述阻挡区正常面积的下限值，所述第二预设值为所述阻挡区正常面积的上限值，所述阻挡区18的面积的第一预设值和第二预设值本领域技术人员根据实际情况确定，本实施例对此不予限制。
所述阻挡区的面积小于第一预设值，则判定第二晶圆的下压过程中顶针未下压到位，所述第二晶圆的形变未达到预设要求；
所述阻挡区的大于第二预设值且偏离顶针中心，则判定顶针下压引起第二晶圆不规则形变，所述第二晶圆不是从第二晶圆的表面中心区域开始受力。
综上可见，在本发明提供的一种键合设备及键合过程的监控方法中，通过在第二晶圆四周的承载台上设置多种光感传感器，所述光感传感器的高度高于所述第一晶圆上预定高度，每个光感传感器包括光发射单元和光接收单元，所述光发射单元与所述光接收单元相对设置；所述光感传感器的光发射单元用于发射平行于所述第一晶圆表面的光线、光接收单元用于接收光发射单元发出的光线；控制单元，所述控制单元与所述光发射单元和光接收单元连接，所述控制单元根据所述光接收单元获得的光信号判断第二晶圆的下压过程中的形变量是否正常，通过监控晶圆键合步骤中，晶圆向下移动过程中的形变量是否正常，从而发现晶圆键合步骤中，晶圆向下移动不顺畅或者移动偏心的问题并进行调整，提高了晶圆键合的质量。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。

Claims (11)

1.一种键合设备，其特征在于，包括承载台、下卡盘、上卡盘、顶针、多组光感传感器和控制单元；
所述承载台用于承载所述下卡盘，所述下卡盘用于固定第一晶圆，所述上卡盘用于固定第二晶圆，所述顶针可穿过所述上卡盘以下压所述第二晶圆；
所述多组光感传感器位于所述承载台上，每个所述光感传感器的高度高于所述第一晶圆预定高度，每个光感传感器包括光发射单元和光接收单元，所述光发射单元与所述光接收单元相对设置；所述光感传感器的光发射单元用于发射平行于所述第一晶圆表面且位于所述第一晶圆和第二晶圆中间的光线，所述光接收单元用于接收所述光发射单元发出的光线；
所述控制单元根据所述光接收单元获得的光信号判断第二晶圆的下压过程中的形变量是否正常。
2.如权利要求1所述的键合设备，其特征在于，所述光接收单元接收的图像包括阻挡区和感光区，所述控制单元根据所述光接收单元获得的光信号判断第二晶圆的下压过程中的形变量是否正常的步骤包括：
若所述阻挡区的面积在第一预设值和第二预设值之间且所述阻挡区位于所述顶针的对称的两侧，则判定第二晶圆的下压过程中的形变量正常；
若所述阻挡区的面积小于第一预设值，则判定第二晶圆的下压过程中所述顶针未下压到位，所述第二晶圆的形变未达到预设要求；
若所述阻挡区的面积大于第二预设值且偏离所述顶针的中心，则判定所述顶针下压引起所述第二晶圆不规则形变。
3.如权利要求1所述的键合设备，其特征在于，所述多组光感传感器环绕所述第二晶圆均匀设置。
4.如权利要求1所述的键合设备，其特征在于，所述预定高度为与所述第一晶圆距离为50μm -500μm。
5.如权利要求1所述的键合设备，其特征在于，所述光发射单元为短波发射器，所述光接收单元为短波感应器。
6.如权利要求1所述的键合设备，其特征在于，所述控制单元与所述顶针连接，用于控制所述顶针下压所述第二晶圆。
7.如权利要求1所述的键合设备，其特征在于，所述上卡盘和所述下卡盘均包括装载针，所述装载针上设置有真空孔。
8.如权利要求7所述的键合设备，其特征在于，所述上卡盘和所述下卡盘还包括装载孔，所述装载针位于所述装载孔中，并可在所述装载孔中移动。
9.如权利要求1所述的键合设备，其特征在于，若第二晶圆的下压过程中的形变量异常，所述控制单元调整顶针位置。
10.一种键合过程的监控方法，利用如权利要求1-9中任一项所述的键合设备进行监控，其特征在于，包括：
利用下卡盘固定第一晶圆，利用上卡盘固定第二晶圆，通过顶针向所述第二晶圆施加键合压力；
光感传感器的光发射单元发射平行于所述第一晶圆表面的光线，光感传感器的光接收单元接收所述光发射单元发出的光线；
控制单元根据所述光接收单元获得的光信号判断所述第二晶圆的下压过程中的形变量是否正常。
11.如权利要求10所述的键合过程的监控方法，其特征在于，所述光接收单元接收的图像包括阻挡区和感光区，所述控制单元根据所述光接收单元获得的光信号判断第二晶圆的下压过程中的形变量是否正常的步骤，包括：
若所述阻挡区的面积在第一预设值和第二预设值之间且所述阻挡区位于所述顶针的对称的两侧，则判定第二晶圆的下压过程中的形变量正常；
若所述阻挡区的面积小于第一预设值，则判定第二晶圆的下压过程中所述顶针未下压到位，所述第二晶圆的形变未达到预设要求；
若所述阻挡区的面积大于第二预设值且偏离所述顶针的中心，则判定所述顶针下压引起所述第二晶圆不规则形变。
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