CN114623317B - 周期性结构、隔热装置和晶圆键合装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种周期性结构、隔热装置和晶圆键合装置，所述周期性结构包括若干呈周期性排布的三周期极小曲面结构，所述三周期极小曲面结构具有多个沿X向、Y向和Z向设置的支撑杆，且沿X向和Y向设置的支撑杆的一端均设有沿Z向设置的连接杆。所述隔热装置包括若干如上文所述的周期性结构。所述晶圆键合装置包括键合腔、真空单元、键合夹具和施压装置，所述施压装置包括对称设置的上压盘和下压盘，所述上压盘和所述下压盘均包括如上文所述的隔热装置。本发明具有极佳的承载性能和隔热性能以及优良的受力均匀性和受热均匀性。

Description

周期性结构、隔热装置和晶圆键合装置

技术领域

本发明涉及增材制造技术领域，特别涉及一种周期性结构、隔热装置和晶圆键合装置。

背景技术

晶圆键合技术可以将不同材料的晶圆结合在一起，晶圆键合是半导体器件三维加工的一个重要的工艺，无论键合的种类，晶圆键合的主要工艺步骤均包括晶圆表面的处理(清洗、激活)，晶圆的对准，以及最终的晶圆键合。通过这些工艺步骤，独立的单张晶圆被对准，然后键合在一起，实现其三维结构。键合不仅是微系统技术中的封装技术，而且也是三维器件制造中的一个有机的组成部分，在器件制造的前道工艺和后道工艺中均有应用。现有的最主要的键合应用为硅片和硅片的键合以及硅片和玻璃衬底的键合。

随着晶圆键合技术在微机电系统(MEMS)制造、微光电系统，特别是CMOS图像传感器(CIS)制造、以及新兴的三维芯片制造技术，如硅穿孔(TSV)技术中的广泛应用，键合技术对晶圆键合设备的性能不断提出更高的要求，此外，不断扩大的生产规模也对进一步降低晶圆键合系统的设备拥有成本(COO)提出了更多挑战。

现有技术中的自动键合装置的主要器件包括提供键合环境的键合腔；抽真空的真空单元；提供加热、冷却功能的上、下压盘；施加键合压力的装置等。晶圆键合的主要流程为：将夹持有对准完成晶圆的键合夹具放置到键合机的键合腔内；关闭键合腔，并开启真空单元将键合腔内抽成真空状态；根据特定的键合工艺需求，进行加压、加热、冷却工艺过程；在键合工艺过程完成后，释放键合腔内真空，打开键合腔，取出键合夹具。

基于键合装置反复进行加热和冷却的过程，既不希望加热后开腔温度太高，导致安全性问题和其他机械和电气设备损害，同时也不希望冷却后温度过低导致重复加热的能量损失。因此其中的隔热层的设计显得尤为关键。

传统的隔热层设计有如下两种方式，第一种方式是采用非金属如陶瓷碳化硅等SiC材质，利用非金属材料导热性能差进行隔热，但非金属材料因在其成型和烧制过程中难免混入杂质，在反复的热应力变化中，因其材料脆性，极易磕碰损坏，进而导致二次污染等问题。

第二种方式是利用泡沫金属材料，利用其中空特性和传热面积小的特性进行隔热。然而泡沫金属在成型过程中，由于参入发泡剂才是随机的晶格结构，其受力均匀性难以保证，影响设备测校调平和键合晶圆的均匀性。此外泡沫金属空隙较小，极易受到二次污染，污染物一旦进而泡沫金属难于清洗，长期使用气体容易附着于污染物上，影响再次抽真空的效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种周期性结构、隔热装置和晶圆键合装置，可以解决现有的隔热装置极易磕碰损坏、容易导致二次污染以及受力不均匀等问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种周期性结构，所述周期性结构包括若干呈周期性排布的三周期极小曲面结构，所述三周期极小曲面结构具有多个沿X向、Y向和Z向设置的支撑杆，且沿X向和Y向设置的支撑杆的一端均设有沿Z向设置的连接杆。

可选的，所述三周期极小曲面结构由一三周期极小曲面方程定义，所述三周期极小曲面方程包括仅能调节所述三周期极小曲面结构水平向密度的局部密度系数和可调节三周期极小曲面结构整体密度的整体密度系数。

可选的，所述三周期极小曲面结构满足如下三周期极小曲面方程：

K₂cos(x)cos(y)+sin(x)sin(y)cos(0.5z)sin(0.5z)≥K₁；

`其中，sin为三角正弦函数，cos为三角余弦函数，x、y、z为三维空间中某一点的三坐标值，K₁为整体密度系数，K₂为局部密度系数。

可选的，所述K₁的取值范围为[-π/2，π/2]，所述K₂的取值范围为[-π/2，π/2]。

为解决上述技术问题，本发明还提供一种隔热装置，所述隔热装置包括上文所述的周期性结构。

可选的，所述隔热装置包括呈圆盘状设置的主体部、套设于所述主体部的上端的第一保护环、套设于所述主体部的下端的第二保护环以及安装于所述主体部的底部的支撑板，其中，所述主体部由若干如上文所述的周期性结构组成。

为解决上述技术问题，本发明还提供一种晶圆键合装置，包括键合腔、真空单元、键合夹具和施压装置；

所述键合腔中设有对称分布于晶圆周向的抽真空口；

所述真空单元用于排出所述键合腔的空气；

所述键合夹具用于夹持所述晶圆；

所述施压装置用于提供晶圆键合时的键合温度和键合压力，所述施压装置包括对称设置的上压盘和下压盘，所述上压盘从下自上依次包括压力盘、加热盘、冷却盘和如上文所述的隔热装置，所述下压盘从上自下依次包括压力盘、加热盘、冷却盘和如上文所述的隔热装置。

可选的，所述加热盘内部设有一冷却流道，通过一冷却单元控制冷却介质流经所述冷却流道。

可选的，所述上压盘通过一波纹管与所述键合腔相连。

可选的，所述晶圆键合装置还包括一气压控制单元，所述气压控制单元用于对所述波纹管的内部压力进行反馈控制。

可选的，所述晶圆键合装置还包括一压力补偿装置，所述压力补偿装置用于保持所述上压盘的压力盘的位置。

可选的，所述压力盘包括温度均化层和面型补偿层。

与现有技术相比，本发明提供的周期性结构、隔热装置和晶圆键合装置具有以下优点：

(1)本发明提供的周期性结构为三周期极小曲面结构，其包括若干周期性排布的三周期极小曲面结构，所述三周期极小曲面结构具有多个沿X向、Y向和Z向设置的支撑杆，且沿X向和Y向设置的支撑杆的一端均设有沿Z向设置的连接杆。由于所述三周期极小曲面结构具有多个沿X向、Y向和Z向设置的支撑杆，且沿X向和Y向设置的支撑杆的一端均设有沿Z向设置的连接杆，由此，可以在保证垂向(Z向)支撑能力不受影响的前提下，缩减水平向(X向和Y向)支撑结构的重量。此外，由于所述周期性结构为三周期极小曲面结构，由此，其具有极佳的承载性能和隔热性能以及优良的受力均匀性和受热均匀性。

(2)由于本发明提供的隔热装置由若干上文所述的周期性结构组成，由此其具有极佳的承载性能和隔热性能，受热均匀性和受力均匀性显著提高，可以适应交变的键合压力，满足机械结构的支撑功能，进而为键合过程提供均匀有效的压力场分布，保证大面积晶圆在键合过程中受力均匀。同时也可以消除和降低因材料磕碰所造成的二次污染等问题。此外，由于本发明提供的隔热装置包括基本的支撑结构和空隙，从而更加适合工业清洗，有效避免二次污染。

(3)由于本发明提供的键合装置包括上文所述的隔热装置，从而可以适应交替变化的键合温度，在键合过程中可以提高对键合片加热和冷却的速度，从而可以有效提高键合效率。

附图说明

图1为本发明一实施方式中的周期性结构的示意图；

图2为图1所示的周期性结构的主视图；

图3为图1所示的周期性结构的俯视图；

图4为本发明一实施方式中的三周期极小曲面结构的示意图；

图5a至5d为同一K₁下不同K₂下的三周期极小曲面结构的示意图；

图6为本发明提供的周期性结构与SchwartzD型周期性结构、Schoen Gyroid型周期性结构在同等相对密度条件下的相对弹性模量对比示意图；

图7为本发明提供的周期性结构与SchwartzD型周期性结构、Schoen Gyroid型周期性结构在同等相对密度条件下的相对抗压强度对比示意图；

图8为本发明一实施方式中的隔热装置的立体结构示意图；

图9为图8所示的隔热装置的主视图；

图10为图8所示的隔热装置的俯视图；

图11为本发明一实施方式中的晶圆键合装置的结构示意图；

图12为图11所示的晶圆键合装置中的上压盘和下压盘的结构示意图。

其中，附图标记如下：

支撑杆-101；连接杆-102；主体部-201，第一保护环-202；第二保护环-203；键合腔-10；真空单元-20；抽真空口-21；上压盘-30；下压盘-40；压力盘-31；加热盘-32；冷却盘-33；隔热装置-34；波纹管-50；压力补偿装置-60；结构件-70；键合片-80。

具体实施方式

以下结合附图1至12和具体实施方式对本发明提出的周期性结构、隔热装置和晶圆键合装置作进一步详细说明。根据下面说明，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图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方式的目的。为了使本发明的目的、特征和优点能够更加明显易懂，请参阅附图。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

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。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

本发明的核心思想在于提供一种周期性结构、隔热装置和晶圆键合装置，可以解决现有的隔热装置极易磕碰损坏、容易导致二次污染以及受力不均匀等问题。

为实现上述思想，本发明提供一种周期性结构，所述周期性结构为三周期极小曲面结构。极小曲面的描述在数学上有两种方式，分别是从面积的角度和曲率的角度去描述它。从面积的角度去描述，极小曲面指的是满足所有外部约束条件下的面积最小的曲面(约束条件可以是曲面的周长信息，一些外部的受力工况等等因素)，因此从面积的部分可以看出极小曲面具有卓越的物理性能；从曲率的角度去描述，极小曲面指的是平均曲率为0的曲面，平均曲率的定义为一个在空间中的某点，它在任何一个曲面上肯定会有一个曲率的最大值以及曲率的最小值，这两个曲率值称之为这个点在某个曲面上的主曲率，而平均曲率则是主曲率的平均数，如果空间上某个曲面表面所有点的平均曲率都为0则这个曲面称之为极小曲面。三周期极小曲面可以看成是周期性的极小曲面函数。“三周期”指的是它在欧式空间沿着X轴、Y轴、Z轴方向的曲面形状都呈现出周期性变化的特点。由于三周期极小曲面具有多孔性、光滑性、连通性、多样性及可控性等诸多优点，因此其具在同等材料及密度的条件下，具有更优越的强度。

所述周期性结构包括若干周期性排布的三周期极小曲面结构，所述三周期极小曲面结构具有多个沿X向、Y向和Z向设置的支撑杆，且沿X向和Y向设置的支撑杆的一端均设有沿Z向设置的连接杆。由于所述三周期极小曲面结构具有多个沿X向、Y向和Z向设置的支撑杆，且沿X向和Y向设置的支撑杆的一端均设有沿Z向设置的连接杆，由此，可以在保证垂向(Z向)支撑能力不受影响的前提下，缩减水平向(X向和Y向)支撑结构的重量。此外，由于所述周期性结构为三周期极小曲面结构，由此，其具有极佳的承载性能和隔热性能以及优良的受力均匀性和受热均匀性。另外，所述周期性结构的体密度比可低至5％～10％，由此可以有效减少热接触面积，有效提高隔热性能。

请参考图1至图4，其中图1示意性地给出了本发明一实施方式提供的周期性结构的示意图；图2示意性地给出了图1所示的周期性结构的主视图；图3示意性地给出了图1所示的周期性结构的俯视图；图4示意性地给出了图1所示的周期性结构中的三周期极小曲面结构的示意图。如图1至图4所示，所述周期性结构由10个如图4所示的三周期极小曲面结构周期性排列而成，其中所述三周期极小曲面结构沿X向、Y向和Z向分别设有2条支撑杆101，其中沿X向和Y向设置的支撑杆101的一端均设有沿Z向(垂向)设置的连接杆102。通过对图4所示的三周期极小曲面结构进行热力学仿真可知，当所述三周期极小曲面结构仅承受Z向力时，整体结构受力均匀，其最大应力主要集中在连接杆102的中间位置，且所有的支撑杆101同时受到应力作用；当所述三周期极小曲面结构承受Z向热载荷时，整体结构的Z向热流密度均匀，且所有的支撑杆101和连接杆102均受到热载荷作用。由此，可以在保证垂向(Z向)支撑能力不受影响的前提下，缩减水平向(X向和Y向)支撑结构的重量，从而让垂向设置的支撑杆101和连接杆102去承受主要载荷，而沿X向和Y向设置的支撑杆101承受次要载荷或不承受载荷。

优选的，所述三周期极小曲面结构由一三周期极小曲面方程定义，所述三周期极小曲面方程包括仅能调节所述三周期极小曲面结构水平向密度的局部密度系数和可调节三周期极小曲面结构整体密度的整体密度系数。由此，通过调节所述三周期极小曲面结构的局部密度系数，可以调节水平向(X向和Y向)支撑杆的体积，从而可以在保证垂向(Z向)支撑能力不受影响的前提下，缩减水平向(X向和Y向)支撑结构的重量，从而让垂向设置的支撑杆101和连接杆102去承受主要载荷，而沿X向和Y向设置的支撑杆101承受次要载荷或不承受载荷。

优选的，所述周期性结构满足如下三周期极小曲面方程：

K₂cos(x)cos(y)+sin(x)sin(y)cos(0.5z)sin(0.5z)≥K₁；

其中，sin为三角正弦函数，cos为三角余弦函数，x、y、z为三维空间中某一点的三坐标值，K₁为整体密度系数，K₂为局部密度系数，所述K₁的取值范围为[-π/2，π/2]，所述K₂的取值范围为[-π/2，π/2]。

请参考图5a至图5d，其中图5a示意性地给出了K₁＝0.48，K₂＝0.486时的三周期极小曲面结构的结构示意图；图5b示意性地给出了K₁＝0.48，K₂＝0.536时的三周期极小曲面结构的结构示意图；图5c示意性地给出了K₁＝0.48，K₂＝0.606时的三周期极小曲面结构的结构示意图；图5d示意性地给出了K₁＝0.48，K₂＝0.756时的三周期极小曲面结构的结构示意图。由图5a至图5d可知，通过改变局部密度系数K₂的大小，可以改变三周期极小曲面结构在X向和Y向的连接区域的体积(即X向支撑杆和Y向支撑杆的总体积)，并控制单位周期内的X向和Y向的连接区域的体积与Z向的连接区域的体积(即Z向支撑杆和连接杆的总体积)之间的比例或材料配置，进而控制本发明提供的周期性结构在Z向的强度以及X向和Y向的强度。也就是说，通过控制局部密度系数K₂的大小，可以控制周期性结构在水平向的连接区域的体积，并控制单位周期内的水平向的连接区域的体积与垂向的连接区域的体积之间的比例或材料配置，从而可以根据具体工况，让Z向的支撑杆和连接杆去承受主要载荷，而水平向的支撑杆去承受次要载荷或不承受载荷，从而可以在保证垂向(Z向)支撑能力不受影响的前提下，缩减水平向(X向和Y向)支撑结构的重量。进一步地，通过改变整体密度系数K₁的大小，可以改变本发明提供的三周期极小曲面结构在X向、Y向和Z向的整体连接区域的体积，从而控制整体连接区域的体积在单位周期内的体积比，即控制三周期极小曲面结构的体密度比。

请参考图6和图7，其中，图6示意性地给出了本发明提供的周期性结构与SchwartzD型周期性结构、SchoenGyroid型周期性结构在同等相对密度条件下的相对弹性模量对比示意图；图7示意性地给出了本发明提供的周期性结构与SchwartzD型周期性结构、SchoenGyroid型周期性结构在同等相对密度条件下的相对抗压强度对比示意图。如图6和图7所示，本发明提供的周期性结构在同等相对密度条件下的相对弹性模量和相对抗压强度均高于SchwartzD型周期性结构、SchoenGyroid型周期性结构，可见本发明提供的周期性结构的力学性能明显优于现有技术中SchwartzD型周期性结构和SchoenGyroid型周期性结构。其中，SchwartzD型周期性结构为满足SchwartzD基本曲面方程的周期性结构，SchoenGyroid型周期性结构为满足SchoenGyroid基本曲面方程的周期性结构；相对密度指的是周期性结构的密度与同体积的实心结构的密度的比值；相对弹性模量指的是周期性结构的弹性模量与同体积的实心结构的弹性模量的比值；相对抗压强度指的是周期性结构的抗压强度与同体积的实心结构的抗压强度的比值。

为实现上述思想，本发明还提供一种隔热装置，所述隔热装置包括上文所述的周期性结构。由于本发明提供的隔热装置包括上文所述的周期性结构，由此，其具有极佳的承载性能和隔热性能，受热均匀性和受力均匀性显著提高，可以适应交变的键合压力，满足机械结构的支撑功能，从而可以为键合过程提供均匀有效的压力场分布，保证大面积晶圆在键合过程中受力均匀，同时消除和降低因材料磕碰所造成的二次污染等问题。此外，由于本发明提供的隔热装置包括基本的支撑结构和空隙，从而更加适合工业清洗，有效避免二次污染。

优选的，可以采用增材制造的方法制备得到本发明提供的隔热装置，具体可通过如下方法，增材制造得到本发明提供的隔热装置：

选择三周期极小曲面方程，并根据所述三周期极小曲面方程生成网格模型，所述网格模型包括若干如上文所述的周期性结构；

生成隔热装置的实体模型；

根据所述网格模型和所述实体模型，生成实体晶格模型；

根据所述实体晶格模型，进行隔热装置的增材制造。

由此，通过选用如上文所述的周期性结构并采用增材制造方法进行隔热装置的制造，可以使得制造出来的隔热装置具有极佳的承载性能和隔热性能，同时所述隔热装置的受热均匀性和受力均匀性也得以显著提高，此外通过采用增材制造的方法制造所述隔热装置，可以有效降低隔热装置的生产成本，提高生产效率。优选的，可采用不锈钢、钛合金、铝合金、高温合金或殷钢作为隔热装置的增材材料。制得的隔热装置的外径可以为1英寸、4英寸、9英寸、12英寸、18英寸等。

优选的，所述三周期极小曲面方程包括仅能调节所述三周期极小曲面结构水平向密度的局部密度系数和可调节三周期极小曲面结构整体密度的整体密度系数。由此，通过调节所述三周期极小曲面结构的局部密度系数，可以调节水平向(X向和Y向)支撑杆的体积，从而可以在保证垂向(Z向)支撑能力不受影响的前提下，缩减水平向(X向和Y向)支撑结构的重量，从而让垂向设置的支撑杆101和连接杆102去承受主要载荷，而沿X向和Y向设置的支撑杆101承受次要载荷或不承受载荷。

优选的，所选择的三周期极小曲面方程为：

K₂cos(x)cos(y)+sin(x)sin(y)cos(0.5z)sin(0.5z)≥K₁；

其中，sin为三角正弦函数，cos为三角余弦函数，x、y、z为三维空间中某一点的三坐标值，K₁为整体密度系数，K₂为局部密度系数，所述K₁的取值范围为[-π/2，π/2]，所述K₂的取值范围为[-π/2，π/2]。

优选地，所述根据所述三周期极小曲面方程生成网格模型的方法可包括：

确定所述三周期极小曲面的方程参数；

根据所述方程参数并进行实体化，以生成单周期曲面模型；以及

根据所述单周期曲面模型生成网格模型。

其中，所述方程参数包括K₁和K₂的大小、体密度比值、孔隙率、周期系数及晶格大小。

所述网格模型的文件格式可以是STL、IGES或STEP。可以采用数学软件Wolfram进行实体化以生成单周期曲面模型。隔热装置的实体模型可以采用现有的三维软件生成。

所述根据所述网格模型和所述实体模型，生成实体晶格模型的步骤包括：

确定所述实体模型进入晶格结构的生成方式；以及

对所述网格模型和所述实体模型进行布尔运算并进行离散化处理以生成实体晶格模型。

其中，所述实体模型进入晶格结构的生成方式包括开放式和封闭式，其中开放式为全部实体区域均进行晶格生成；封闭式为在全部实体边界区域留有一层实体壳体，在壳体以内的区域进行晶格生成。由于本发明提供的隔热装置的外部没有壳体，因此选择开放式的生成方式作为实体模型进入晶格结构的生成方式。离散化处理的相关算法包括Delaunay三角剖分或Voronoi网络划分。

优选的，根据所述实体晶格模型，进行隔热装置的增材制造的方法包括：

对所述实体晶格模型进行切片处理，以获取切片数据；

确定增材制造的工艺参数；以及

根据所述切片数据和所述工艺参数，完成零件的增材制造。

具体地，可以采用现有的切片软件完成对实体模型的切片处理。在本发明中可以选择水平向布置切片，也可选择竖向布置切片。

在进行切片处理之前，先对切片软件平台进行设定，例如置入工艺参数及扫描方式；确定生长方向，设置好支撑。

优选的，本发明中的增材制造可以在惰性气体的保护下进行，当隔热装置增材成形后，可以对隔热装置上的松装粉末进行吹除，使用线切割分离基板和隔热装置，对隔热装置进行喷砂处理，采用超声波进行清洗，以及对隔热装置的外表面进行电化学腐蚀、镀膜或镀金属处理。

优选的，请参考图8至图10，其中图8示意性地给出了本发明一实施方式提供的隔热装置的立体结构示意图；图9示意性地给出了图8所示的隔热装置的主视图；图10示意性地给出了图8所示的隔热装置的俯视图。如图8至图10所示，所述隔热装置包括呈圆盘状设置的主体部201、套设于所述主体部201的上端的第一保护环202、套设于所述主体部201的下端的第二保护环203以及安装于所述主体部201的底部的支撑板(图中未示出)，其中，所述主体部201由若干如上文所述的周期性结构组成，所述第一保护环202距离所述主体部的顶部的距离为0.5-2mm。由此，通过在所述主体部201的上端套设第一保护环202，在所述主体部201的下端套设第二保护环203，在所述主体部201的底部安装支撑板，可以使得所述隔热装置的结构更加稳固。其中，所述主体部可采用上文所提及的增材制造的方法得到。

为实现上述思想，本发明还提供一种晶圆键合装置，请参考图11和图12，其中图11示意性地给出了本发明一实施方式提供的晶圆键合装置的结构示意图；图12示意性地给出了图11所示的晶圆键合装置中的上压盘和下压盘的结构示意图。如图11和图12所示，所述晶圆键合装置包括键合腔10、真空单元20、键合夹具和施压装置；所述键合腔10中设有对称分布于晶圆周向的抽真空口21；所述真空单元20用于排出所述键合腔10的空气；所述键合夹具用于夹持所述晶圆；所述施压装置用于提供晶圆键合时的键合温度和键合压力，所述施压装置包括对称设置的上压盘30和下压盘40，所述上压盘30从下自上依次包括压力盘31、加热盘32、冷却盘33和如上文所述的隔热装置34，所述下压盘40从上自下依次包括压力盘31、加热盘32、冷却盘33和如上文所述的隔热装置34。由于所述隔热装置34具有如上文所述的周期性结构，由此其具有极佳的承载性能和隔热性能，受热均匀性和受力均匀性显著提高，进而使得本发明提供的晶圆键合装置能够适应交替变化的键合温度，在在键合过程中可以提高对键合片加热和冷却的速度，从而可以有效提高键合效率。

晶圆键合的主要流程为：将夹持有对准完成的晶圆的键合夹具放置到键合机的键合腔10内；关闭键合腔10，并开启真空单元20将键合腔10内抽成真空状态(真空度最高至10^-4MPa)；将上压盘30下降到接近晶圆的位置，并通过施压，使上压盘30接触晶圆；根据特定的键合工艺需求，进行加压(压力范围0～100KN)、加热(温度范围为常温～550℃)、冷却工艺过程；在键合工艺过程完成后，释放键合腔10内真空，打开键合腔10，取出键合夹具。

在晶圆键合时，由于最终产品或键合工艺的需求，通常需要在高真空的环境(真空度高于0.1Pa)下进行，因此键合流程中的第一步骤通常为对键合腔10内进行抽真空处理。键合腔10内部抽真空的速度越快，正式键合晶圆前的准备时间越短，键合的总体效率也就随之提高了。提高抽真空的速度可以通过配备抽气流量更大的真空单元20来实现。

在现有的半自动键合装置中，抽真空口21均布置在键合腔10的一边，在抽真空时，空气的流动相对键合片80是不对称的，非对称的空气流动会对键合片80造成扰动，引起两张键合片80的相对位置偏差，真空抽速越大，空气流速越快，造成的扰动也就越大。为解决抽真空时气流扰动对键合片80位置的影响，本发明在键合腔10中设计了相对于晶圆周向对称的抽真空口21。抽真空时，空气的流动相对于晶圆对称，对键合片80的扰动最小化，消除了提高键合腔10抽真空速度的障碍。同时，对称的抽真空口21布置保证了抽真空时，气体流向从键合腔10中心向外，消除了单侧气流可能带来的对晶圆的颗粒污染的风险。

本发明中的上压盘30和下压盘40的结构相对于键合片80是对称的，从功能上均包括压力盘31、加热盘32、冷却盘33及隔热盘，各层结构均为上下对称，材质和厚度均相同。相对于从底部单边加热或从底部单边冷却的结构，对称的加热和冷却结构，可以从上、下两面均匀的对键合片80进行温度控制，消除了单边进行温度控制时热传导过程带来的在上、下两种键合片80间的温度梯度，因此提高了键合片80中的温度均匀性，可以减少有热膨胀不匹配带来的键合完成后键合片80的翘曲的出现。由此可见，从键合片80上、下同时进行加热、冷却的设计，相对于单边加热或冷却，可以有效提高键合片80加热和冷却的速度。

优选的，所述加热盘32内部设有一冷却流道，通过一冷却单元控制冷却介质流经所述冷却流道。现有的键合装置中的冷却结构设计通常为：在需要冷却时，使用冷却气体对键合片80或加热盘32进行冷却，或者在需要冷却时，使用一个冷盘接触加热盘32进行冷却。使用气体进行冷却时，冷却速度慢，同时需要破坏键合腔10内部的真空；使用冷盘接触冷却盘33时，由于冷盘和加热盘32之间的接触热阻，冷却速度无法充分发挥，在真空的环境下冷却速度会更慢。本发明提供的键合装置中的冷却结构通过采用在加热盘32内部集成一冷却流道的方式，可以最大限度的提高冷却速度。由于本发明对加热盘32的冷却是直接进行的，因此消除了零件之间的接触热阻，使得冷却速度不受键合腔10内部真空状态的影响，可以实现高于15℃/min的冷却速度。

优选的，本发明可通过采用一个冷却单元来控制冷却流道中的介质，由此可根据键合过程的需求在真空、空气、冷却液之间进行切换。冷却单元提供三种工作模式：一、将冷却流道抽成真空状态，限制加热盘32通过冷却介质的漏热。消除在加热工况下，冷却结构对加热速度的影响。二、在冷却流道中通入空气，通过空气冷却加热盘32，作为冷却速递较低的一种工作模式。三、在冷却流道中通入液体冷却介质，可以快速冷却加热盘32，特别在加热盘32温度高于冷却介质的沸点的情况下，冷却介质可通过相变冷却加热盘32，冷却速度更高。在上述三种工作模式外，冷却单元还可以控制在冷却流道中的介质的流动速度，进而控制冷却速度，提高了工艺的灵活性。直接冷却系统可以在不影响加热速度的情况下，提供快速冷却的能力，缩短键合工艺时间，有效的提升了键合效率。

典型的加热冷却流程包括如下步骤：

初始状态为冷却流道内部为真空。

加热盘32通电，以最大升温速率加热，此时由于冷却流道中没有介质，不吸收热量，所以不会对升温速率造成影响。

在升温到指定温度后，通过反馈控制对加热盘32进行温控，保持恒定温度一段时间，完成所需的加热工艺过程。

在冷却阶段，向冷却流道中通入液体了冷却剂，以最大降温速率冷却；若冷却剂的沸点温度低于加热盘32的当前温度，冷却剂会处于相变冷却的状态，冷却速率可以最大化。

在冷却阶段中，可通过调节冷却剂的流量，控制降温的速度。

冷却阶段结束后，向冷却流道中通入加压气体，将液体冷却剂从流道中全部排出并回收。

最后将冷却流道内的气体抽出，将冷却流道置于真空状态，为下一次加热做准备。

优选的，所述上压盘30通过一波纹管50与所述键合腔10相连。由此，通过将所述上压盘30通过一波纹管50与所述键合腔10相连，由此可以通过波纹管50对压力盘31均匀施加气压，并通过压力盘31将压力传递到键合片80。在键合过程中，施加压力的结构件，包括支撑键合片80的结构件70的变形，均会对键合片80受到的压力均匀性造成影响。为减少加压结构的变形，可以采用在键合片80下方使用全键合面刚性的固定结构支撑，同时在键合片80上方使用波纹管50对键合面均匀施加气压的设计，可以最大程度的减少结构受力不均匀的情况，最大限度的消除由此导致的结构形变，从而保证键合压力的均匀性。

优选的，所述晶圆键合装置还包括一气压控制单元，所述气压控制单元用于对所述波纹管50的内部压力进行反馈控制。

优选的，所述晶圆键合装置还包括一压力补偿装置60，所述压力补偿装置60用于保持所述上压盘30的压力盘31的位置。使用波纹管50进行加压时，施加在键合片80上的压力会受到键合腔10内部压力变化的影响，实际施加的压力是波纹管50和键合腔10内部的压力差。因此需要通过一个压力补偿装置60，对键合腔10内部压力的变化进行补偿。加压机构的工作流程为：通过压盘位置控制机构将压盘快速移动到接近键合片80；在键合腔10内部抽真空时，压力补偿装置60保持压盘的位置，使其不受波纹管50和键合腔10内部压差的影响；通过气压控制单元对波纹管50内部施加压力，使波纹管50扩张从而使压盘接触键合片80，开始施加键合压力；通过测量波纹管50内部和键合腔10内部的压力，结合压力补偿装置60，气压控制单元对波纹管50内部压力进行反馈控制，使键合压力符合键合工艺的需求。使用波纹管50在全晶圆面上施加压力，可以有效的提高压力均匀性，结合键合腔10内部压力补偿结构，能够稳定的进行加压动作，并提供更稳定的键合压力。

优选的，所述压力盘31包括温度均化层和面型补偿层。由于所述压力盘31包括温度均化层和面型补偿层，由此可以根据不同的需求，选择不同的材料，以提高压力盘31的整体性能。其中，直接接触键合片80的温度均化层可以使用稳定性高、热传导系数高的材料，例如SiC。高的热传导系数可以有效的均化加热盘32和冷却盘33中的温度不均匀性，保证了键合片80的温度均匀性。面型补偿层可以采用柔性材料，例如石墨，用以补偿面型的微小误差，保证压力传递的均匀性。

与现有技术相比，本发明提供的周期性结构、隔热装置和晶圆键合装置具有以下优点：

(1)本发明提供的周期性结构为三周期极小曲面结构，其包括若干周期性排布的三周期极小曲面结构，所述三周期极小曲面结构具有多个沿X向、Y向和Z向设置的支撑杆，且沿X向和Y向设置的支撑杆的一端均设有沿Z向设置的连接杆。由于所述三周期极小曲面结构具有多个沿X向、Y向和Z向设置的支撑杆，且沿X向和Y向设置的支撑杆的一端均设有沿Z向设置的连接杆，由此，可以在保证垂向(Z向)支撑能力不受影响的前提下，缩减水平向(X向和Y向)支撑结构的重量。此外，由于所述周期性结构为三周期极小曲面结构，由此，其具有极佳的承载性能和隔热性能以及优良的受力均匀性和受热均匀性。

(2)由于本发明提供的隔热装置由若干上文所述的周期性结构组成，由此其具有极佳的承载性能和隔热性能，受热均匀性和受力均匀性显著提高，可以适应交变的键合压力，满足机械结构的支撑功能，进而为键合过程提供均匀有效的压力场分布，保证大面积晶圆在键合过程中受力均匀，同时也可以消除和降低因材料磕碰所造成的二次污染等问题。此外，由于本发明提供的隔热装置包括基本的支撑结构和空隙，从而更加适合工业清洗，有效避免二次污染。

(3)由于本发明提供的键合装置包括上文所述的隔热装置，从而可以适应交替变化的键合温度，在键合过程中可以提高对键合片加热和冷却的速度，从而可以有效提高键合效率。

上述描述仅是对本发明较佳实施方式的描述，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。显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种周期性结构，其特征在于，所述周期性结构包括若干呈周期性排布的三周期极小曲面结构，所述三周期极小曲面结构具有多个沿X向、Y向和Z向设置的支撑杆，且沿X向和Y向设置的支撑杆的一端均设有沿Z向设置的连接杆；所述三周期极小曲面结构由一三周期极小曲面方程定义，所述三周期极小曲面方程包括仅能调节所述三周期极小曲面结构水平向密度的局部密度系数和可调节三周期极小曲面结构整体密度的整体密度系数；所述三周期极小曲面结构满足如下三周期极小曲面方程：

K₂cos(x)cos(y)+sin(x)sin(y)cos(0.5z)sin(0.5z)≥K₁；

其中，sin为三角正弦函数，cos为三角余弦函数，x、y、z为三维空间中某一点的三坐标值，K₁为整体密度系数，K₂为局部密度系数。

2.根据权利要求1所述的周期性结构，其特征在于，所述K₁的取值范围为[-π/2，π/2]，所述K₂的取值范围为[-π/2，π/2]。

3.一种隔热装置，其特征在于，所述隔热装置包括若干如权利要求1至2中任一项所述的周期性结构。

4.根据权利要求3所述的隔热装置，其特征在于，所述隔热装置包括呈圆盘状设置的主体部、套设于所述主体部的上端的第一保护环、套设于所述主体部的下端的第二保护环以及安装于所述主体部的底部的支撑板，其中，所述主体部由若干如权利要求1至2中任一项所述的周期性结构组成。

5.一种晶圆键合装置，其特征在于，包括键合腔、真空单元、键合夹具和施压装置；

所述键合腔中设有对称分布于晶圆周向的抽真空口；

所述真空单元用于排出所述键合腔的空气；

所述键合夹具用于夹持所述晶圆；

所述施压装置用于提供晶圆键合时的键合温度和键合压力，所述施压装置包括对称设置的上压盘和下压盘，所述上压盘从下自上依次包括压力盘、加热盘、冷却盘和如权利要求3或4所述的隔热装置，所述下压盘从上自下依次包括压力盘、加热盘、冷却盘和如权利要求3或4所述的隔热装置。

6.根据权利要求5所述的晶圆键合装置，其特征在于，所述加热盘内部设有一冷却流道，通过一冷却单元控制冷却介质流经所述冷却流道。

7.根据权利要求5所述的晶圆键合装置，其特征在于，所述上压盘通过一波纹管与所述键合腔相连。

8.根据权利要求7所述的晶圆键合装置，其特征在于，所述晶圆键合装置还包括一气压控制单元，所述气压控制单元用于对所述波纹管的内部压力进行反馈控制。

9.根据权利要求5所述的晶圆键合装置，其特征在于，所述晶圆键合装置还包括一压力补偿装置，所述压力补偿装置用于保持所述上压盘的压力盘的位置。

10.根据权利要求5所述的晶圆键合装置，其特征在于，所述压力盘包括温度均化层和面型补偿层。

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