CN115036225B - 一种蓝宝石晶圆键合的超高温真空键合设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及半导体制造技术领域，具体为一种蓝宝石晶圆键合的超高温真空键合设备，包括框架，框架上设置有真空部分及电控部分，真空部分包括真空腔室，电控部分包括调压器、控制器、B型控温仪表、钨铼控温仪表和压力检测仪表；还有加载力系统包括电缸支撑柱、电缸安装板、电缸、测力传感器、上水冷轴、焊接波纹管、上水冷轴上，上加压轴、上加压平台、下绝热层、下安装固定板、下支撑柱、下键合平台、键合工装夹具；控温热电偶、钨网加热器、控温仪表、调压器和控制器还组成加热系统。本发明实现了蓝宝石晶圆键合在工艺要求上的高真空、超高温度和特定压力下高质量的键合，键合质量高，且设备运行维护容易。

Description

一种蓝宝石晶圆键合的超高温真空键合设备

技术领域

本发明涉及半导体制造技术领域，特别涉及超高温高真空晶圆键合设备，具体为一种蓝宝石晶圆键合的超高温真空键合设备。

背景技术

目前，蓝宝石晶片（晶圆级）键合工艺还处于理论研究阶段，至今还没有成熟的蓝宝石晶片（晶圆级）的键合工艺设备。而现在晶圆级键合方面通常是针对硅基材料，键合温度在500℃以下，例如硅-硅键合、硅-玻璃阳极键合、金硅共熔键合以及玻璃焊料烧结等。因此急需开发一种针对蓝宝石晶片（晶圆级）键合的设备。

发明内容

本发明提供了一种蓝宝石晶圆键合的超高温真空键合设备，解决了如何高质量完成蓝宝石晶圆键合的技术问题。

本发明是通过以下技术方案解决以上技术问题的：一种蓝宝石晶圆键合的超高温真空键合设备，包括框架，框架上设置有真空部分及电控部分，其中真空部分包括安装在框架上的真空腔室，真空腔室外侧顶部安装有气体压力测量传感器，真空腔室外侧充/放气接口上安装有充/放气阀，真空腔室的真空抽气口上安装有水冷挡板和真空插板阀，真空插板阀上安装有分子泵，分子泵上安装有高真空阀，真空腔室、高真空阀都通过波纹管和罗茨干泵连接，框架上还安装有循环水系统，循环水系统和真空腔室、上水冷轴、水冷挡板、水冷电极、分子泵等连接，循环水系统为真空腔室、上水冷轴、水冷挡板、水冷电极、分子泵等进行水冷却，电控部分包括调压器、控制器、B型控温仪表、钨铼控温仪表和压力检测仪表（气）；调压器、B型控温仪表、钨铼控温仪表和压力检测仪表（气）都和控制器连接，气体压力测量传感器和压力检测仪表（气）连接。真空部分主要用作抽真空，控制器可以控制罗茨干泵、分子泵对真空腔室进行抽真空，保证达到工艺条件。

在真空腔室内安装有保温桶，为超高温加热环境提供保温层，防止热量向外扩散，在真空腔室外部顶侧电缸安装座里安装电缸支撑柱，电缸支撑柱上安装有电缸安装板，电缸安装板上安装有电缸，电缸上安装有测力传感器，测力传感器上安装有上水冷轴，在上水冷轴和真空腔室之间安装有焊接波纹管，焊接波纹管上安装有万向球头，万向球头上安装上加压轴，上加压轴下端伸入到保温桶内，上加压轴的下端连接有上加压平台；真空腔室的下水冷套上安装有下绝热层和下安装固定板，下安装固定板上安装有下支撑柱，下支撑柱的上端伸入到保温桶内，下支撑柱的上端安装有下键合平台，键合工装夹具放置在下键合平台上。这就组成超高温真空键合设备的加载力系统，供给稳定的压力输出，保证键合工艺力值要求。

控温热电偶安装在真空腔室侧壁热电偶安装座上测量保温桶内温度，钨网加热器固定在真空腔室的水冷电极上，钨网加热器的加热臂伸入到保温桶内，控温热电偶和B型控温仪表、钨铼控温仪表连接，调压器连接钨网加热器；控制器根据控温热电偶测出的温度通过调压器控制钨网加热器进行加热，控温热电偶、钨网加热器、控温仪表、调压器和控制器组成加热系统，此套加热系统能构成蓝宝石晶圆键合所需求的超高温度场，最高温度可达到2200℃。

本发明蓝宝石晶圆级键合设备采用热辐射方式加热、机械式加压、真空机组（分子泵+罗茨干泵）三种方式结合,可实现加热温度1300～2000℃，加压压力：200～2000N，在温度1800℃时真空度维持在5×10^-4Pa以上，在此工艺条件下，解决现有工艺难以实现蓝宝石压力敏感结构中晶圆级蓝宝石晶片的直接键合的问题。

上述的一种蓝宝石晶圆键合的超高温真空键合设备，保温桶由外侧保温组件、内侧保温组件、顶/底保温组件、门保温组件组成。

上述的一种蓝宝石晶圆键合的超高温真空键合设备，针对双抛蓝宝石晶圆的粗糙度、总体厚度偏差、局部厚度偏差、翘曲度、弯曲度等参数均较大而难以实现直接键合（不使用粘合剂或者中间材料层），而采用预划片的方式消除两片蓝宝石晶圆之间的微小间隙，提升键合成功率。在完成蓝宝石晶圆键合之后，再按照预划片的图形进行切割划片。

上述的一种蓝宝石晶圆键合的超高温真空键合设备，控温热电偶分为B型热电偶和钨铼热电偶两种。

蓝宝石的熔点超过2000℃，并且具有极佳的抗腐蚀特性，所以成为了高温和恶劣环境传感器方面的理想材料。本发明提出适合蓝宝石晶圆键合工艺方法的超高温真空键合设备，利用蓝宝石晶圆键合设备实现了蓝宝石晶圆的直接键合以及蓝宝石芯片的直接键合。由于得到的蓝宝石压力敏感芯片的结构中不使用粘合剂或者中间材料层，完全是单晶蓝宝石材料，因此基于蓝宝石晶圆的压力传感器能够工作在恶劣、高温环境中，工作温度可达到1800℃。

本发明实现了蓝宝石晶圆键合在工艺要求上的高真空、超高温度和特定压力下高质量的键合，键合质量高，且设备运行维护容易。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的真空腔室相连结构示意图。

图3是本发明的钨网加热器的结构示意图。

图4是本发明的蓝宝石晶圆键合夹具的结构示意图。

图中：1-框架，2-真空腔室，3-顶/底保温组件，4-钨网加热器，5-内侧保温组件，6-上加压平台，7-键合工装夹具，8-下键合平台，9-门保温组件，10-罗茨干泵，11-循环水系统，12-调压器，13-外侧保温组件，14-控温热电偶，15-控制器，16- B型控温仪表，17-钨铼控温仪表，18-压力检测仪表，19-电控安装板，20-电缸，21-上水冷轴，22-万向球头，23-电缸安装板，24-测力传感器，25-电缸支撑柱，26-焊接波纹管，27-上加压轴，28-真空插板阀，29-充/放气阀，30-气体压力测量传感器，31-下支撑柱，32-下安装固定板，33-下绝热层，34-高真空阀，35-分子泵，36-水冷挡板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明：

一种蓝宝石晶圆键合的超高温真空键合设备，包括框架1，在框架1的左侧台面上放置真空腔室2，左侧台面下前方放置真空机组中的罗茨干泵10，左侧台面下后方安装循环水系统11；在框架1的右侧安装有调压器12、控制器15、B型控温仪表16、钨铼控温仪表17、压力检测仪表18（气）、电控安装板19。在真空腔室2里安装外侧保温组件13、内侧保温组件5，内侧保温组件5和外侧保温组件13的横截面都为带有缺口的圆形，内侧保温组件5在外侧保温组件13的内侧，顶/底保温组件3安装在外侧保温组件13、内侧保温组件5上下两侧，门保温组件9安装在真空腔室2炉门内侧，门保温组件9和外侧保温组件13、内侧保温组件5上的缺口匹配，最终由外侧保温组件13、内侧保温组件5、顶/底保温组件3和门保温组件9构成一个保温桶。

电缸支撑柱25安装在真空腔室2外部顶侧电缸安装座里，电缸安装板23安装在电缸支撑柱25上，电缸20安装在电缸安装板23上，测力传感器24安装在电缸20上，上水冷轴21安装在测力传感器24上，焊接波纹管26安装在上水冷轴21和真空腔室2之间，万向球头22安装在焊接波纹管26上，上加压轴27安装在万向球头22上，上加压平台6连接在上加压轴27上。PLC和电缸电机驱动伺服器是安装在电气安装板19上，控制器15与PLC连接，PLC与电缸的电机驱动伺服器连接，驱动伺服器驱动电缸20运动，电缸20驱动上水冷轴21、万向球头22、上加压轴27、上加压平台6移动进行加载或卸载压力。

控温热电偶14安装在真空腔室2侧壁热电偶安装座上。

下绝热层33和下安装固定板32安装在真空腔室2的下水冷套上。下支撑柱31安装在下安装固定板32上，下键合平台8安装在下支撑柱31上。键合工装夹具7放置在下键合平台8上。

气体压力测量传感器30安装在真空腔室2外侧上顶部，充/放气阀29安装在真空腔室2外侧充/放气接口上。水冷挡板36和真空插板阀28安装在真空腔室2的真空抽气口，真空机组中的分子泵35安装在真空插板阀28上，高真空阀34安装在分子泵35上。钨网加热器4固定在真空腔室2的水冷电极上。

一种蓝宝石晶圆键合的超高温真空键合设备,具体操作过程如下：

1、检查设备水、气、电供给

压缩空气：0.4 MPa～0.7Mpa，用来开闭各类阀门；

冷却用惰性气体：N₂气体纯度：＞99.995%（最好使用99.999%气体，以确保每次工艺完成），用在降温段，为了加快冷却速度，提高效率；

循环水：(0.1～0.3)Mpa；

电压：(380±10)%VAC；

2、通电、水、气，打开电、水、气阀门，并确保无漏水、漏气。

3、等待从控制器15进入设备操作界面，检查各个仪表（B型温控仪表16、钨铼控温仪表17、压力检测仪表18）显示状态是否正常，急停开关是否处于开启状态，各按钮是否处于初始状态。

4、打开真空腔室2门，检查钨网加热器4、控温热电偶14、上加压平台6、下键合平台8、外侧保温组件13、内侧保温组件5、顶/底保温组件3、门保温组件9无断裂、无严重变形、无搭接，设备完好。

5、将含蓝宝石晶圆的键合工装夹具7放置在下键合平台8上，并确保键合工装夹具7完好且放置在下键合平台8中心位置。

6、在控制器15操作移动上加压平台6接触工装夹具顶部，并施加50N的预载力。

7、再次确认设备状态，完好则关闭真空腔室2门。

8、在控制器15设置工艺曲线，包含温度、加载压力、真空、充气压力、时间等参数。

9、在控制器15设置设备操作模式，自动模式或手动模式切换（根据操作要求选择）。

手动模式：

顺序启动罗茨干泵、分子泵，当真空腔室真空度达到工作真空度后，开始加热，在控制器15操作界面上，对【力】和【时间】进行设置，根据工艺要求，进行压力加载；升温、保温、加载压力、卸载压力等完成后，关闭加热；根据工艺要求选择自然冷却或充气冷却，直到满足取件要求的温度。

自动模式：

自动操作从初始状态（所有泵、阀均关闭）、已经预压结束开始运行。

1）在控制器15窗口，设置【压力控制方式】为：自动；

2）点击【参数设置】按钮，对相应参数进行设置；

3）设置完成后，在控制窗口中，点击【手/自动切换】【自动启停】按钮，将操作模式切换为自动，此时显示屏中相关手动按钮被屏蔽；

4）设备依次完成抽真空、加热、加压、冷却等一系列动作。

Claims (3)

1.一种蓝宝石晶圆键合的高温真空键合设备，包括框架（1），其特征在于：框架（1）上设置有真空部分及电控部分，其中真空部分包括安装在框架上的真空腔室（2），真空腔室外侧顶部安装有气体压力测量传感器（30），真空腔室（2）外侧充/放气接口上安装有充/放气阀（29），真空腔室（2）的真空抽气口上安装有水冷挡板（36）和真空插板阀（28），真空插板阀（28）上安装有分子泵（35），分子泵（35）上安装有高真空阀（34），真空腔室（2）、高真空阀（34）都通过波纹管和罗茨干泵（10）连接，框架上还安装有循环水系统（11），电控部分包括调压器（12）、控制器（15）、B型控温仪表（16）、钨铼控温仪表（17）和压力检测仪表（18）；调压器（12）、B型控温仪表（16）、钨铼控温仪表（17）和压力检测仪表（18）都和控制器（15）连接，气体压力测量传感器（30）和压力检测仪表（18）连接；

在真空腔室（2）内安装有保温桶，在真空腔室（2）外部顶侧电缸安装座里安装电缸支撑柱（25），电缸支撑柱（25）上安装有电缸安装板（23），电缸安装板（23）上安装有电缸（20），电缸（20）上安装有测力传感器（24），测力传感器（24）上安装有上水冷轴（21），在上水冷轴（21）和真空腔室之间安装有焊接波纹管（26），焊接波纹管（26）上安装有万向球头（22），万向球头（22）上安装上加压轴（27），上加压轴（27）下端伸入到保温桶内，上加压轴（27）的下端连接有上加压平台（6）；真空腔室的下水冷套上安装有下绝热层（33）和下安装固定板（32），下安装固定板（32）上安装有下支撑柱（31），下支撑柱（31）的上端伸入到保温桶内，下支撑柱（31）的上端安装有下键合平台（8），键合工装夹具（7）放置在下键合平台（8）上；

控温热电偶（14）安装在真空腔室侧壁热电偶安装座上测量保温桶内温度，钨网加热器（4）固定在真空腔室的水冷电极上，钨网加热器（4）的加热臂伸入到保温桶内，控温热电偶（14）和B型控温仪表（16）、钨铼控温仪表（17）连接，调压器（12）连接钨网加热器（4），循环水系统和真空腔室、上水冷轴、水冷挡板、水冷电极、分子泵连接，循环水系统为真空腔室、上水冷轴、水冷挡板、水冷电极、分子泵进行水冷却。

2.根据权利要求1所述的一种蓝宝石晶圆键合的高温真空键合设备，其特征在于：保温桶由外侧保温组件（13）、内侧保温组件（5）、顶/底保温组件（3）、门保温组件（9）组成。

3.根据权利要求1或2所述的一种蓝宝石晶圆键合的高温真空键合设备，其特征在于：控温热电偶（14）分为B型热电偶和钨铼热电偶两种。

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