CN116960035A - 一种晶圆键合装置及晶圆键合系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于晶圆键合领域，具体涉及到一种晶圆键合装置及晶圆键合系统，包括压合机构、连接机构、上基台、下基台和支撑机构，压合机构固定在支撑机构内壁的上侧，压合机构的下端通过连接机构铰接上基台，下基台设置在支撑机构内壁的下侧；所述的支撑机构包括基台支撑件，支撑机构底座、支撑机构侧柱和支撑机构顶盖，基台支撑件，基台支撑件固定在支撑机构底座上，支撑机构底座通过多个支撑机构侧柱固定支撑机构顶盖；压合机构固定在支撑机构顶盖上；本发明的有益效果为可以保证芯片在键合时受到的压力足够均匀，提高了键合良品率，大大降低了键合装置的复杂度与成本。

Description

一种晶圆键合装置及晶圆键合系统

技术领域

本发明属于晶圆键合领域，具体涉及到一种晶圆键合装置及晶圆键合系统。

背景技术

晶圆键合是半导体加工中的一项关键工艺。在芯片的制造过程中，首先在一个基片上形成有大量微小尺寸的器件与结构，然后再将其与另一个基片进行封装键合，其中较为常用的键合方法是热压键合；热压键合需要对预贴合的芯片施加一定压力与温度，需要保证压力与温度的精确程度与均匀程度。其中，压力的均匀程度因受芯片与基台的粗糙度、上下基台的水平度、机械传动的垂直度等多种因素的影响，往往不能达到很好的效果。

在现有技术中，通常通过调节调平螺丝对基台进行调平，使上下基台达到一定水平度，但因基台表面与芯片表面粗糙度肯能较大，以及贴合后芯片厚度的均一性可能较差，因此该方法不能保证芯片在键合时受到的压力足够均匀，导致键合效果差异较大甚至出现碎片裂片等不良情况；例如专利号CN201811469206.3的一种晶圆键合加压装置，该发明通过将压头分成多个子压头，实现对所述待键合晶圆的不同区域的逐次加压，使得所述待键合晶圆上的键合前沿点逐渐向所述待键合晶圆的边缘延伸，不会在键合过程中在所述待键合晶圆的非边缘处形成气泡，影响成品的键合效果，不会出现某一点压力过高导致所述待键合晶圆破损的情况，提升了最终成品的良品率，降低了一定量成品所需的材料成本；

在另一些现有技术中，使用气囊来对基台施加压力，通过气泵控制压力，实现对基台的均匀施压。但气体受热影响较大，若用于热压键合，需要对气囊与加热基台增加复杂的隔热结构，大大增加了键合装置的复杂度与成本；

因此，现有的技术方案中存在缺点，不能保证芯片在键合时受到的压力足够均匀，导致键合效果差异大出现废品，大大增加了键合装置的复杂度与成本。

发明内容

因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中，不能保证芯片在键合时受到的压力足够均匀，不能监控晶圆不同位置压力以及及时发现异常，导致键合效果差异大出现废品，大大增加了键合装置的复杂度与成本的问题。

为此，采用的技术方案是，本发明的一种晶圆键合装置及晶圆键合系统，包括压合机构、连接机构、上基台、下基台和支撑机构，压合机构固定在支撑机构内壁的上侧，压合机构的下端通过连接机构铰接上基台，下基台设置在支撑机构内壁的下侧。

优选的，所述的支撑机构包括基台支撑件，支撑机构底座、支撑机构侧柱和支撑机构顶盖，基台支撑件，基台支撑件固定在支撑机构底座上，支撑机构底座通过多个支撑机构侧柱固定支撑机构顶盖；压合机构固定在支撑机构顶盖上。

优选的，所述的连接机构包括连接杆、推杆连接头和球槽，压合机构的下方固定推杆连接头，连接杆端的中心设置有球槽，推杆连接头的下端为球形，推杆连接头的下端铰接在球槽内。

优选的，所述的连接杆的下端固定在上基台上，上基台上均匀设置有多个压力传感器；压合机构与多个压力传感器均通过电连接压合控制系统。

优选的，所述的下基台与上基台相对设置，下基台的底部通过基台支撑件固定在支撑机构底座上；上基台和下基台均通过电连接温度控制系统。

优选的，所述的下基台内设置有晶圆定位槽，下基台上均匀设置有多个圆定位夹具；晶圆定位槽的外围均匀分布设置有第一对准点和多个第二对准点。

优选的，所述的圆定位夹具包括挡块、挡块滑槽和顶紧弹性件，挡块滑槽均匀设置在下基台上，挡块通过顶紧弹性件限位滑动在挡块滑槽内。

优选的，所述的支撑机构顶盖的下端均匀固定第一压合机构、第二压合机构和第三压合机构，第一压合机构、第二压合机构和第三压合机构的下端均固定在上基台上。

优选的，所述的第一压合机构、第二压合机构和第三压合机构上分别设置有第一压力传感器、第二压力传感器和第三压力传感器；第一压合机构、第二压合机构和第三压合机构及第一压力传感器、第二压力传感器和第三压力传感器通过电连接压合控制系统二。

优选的，一种适用于晶圆键合装置的晶圆键合系统，所述的上基台和下基台之间设置有键合芯片芯片。

本发明的有益效果为：针对上述问题，提供一种晶圆键合装置，在上基台上方分布有多个压力传感器，能够实时监测基台不同位置所受压力，并动态进行调整，以达到保持芯片键合压力处处相等的目的；

本发明提供一种晶圆键合装置，其压合机构上方固定在支撑机构的支撑机构顶盖上，压合机构下方通过连接机构与上基台连接，且两者具有一定的自由运动空间，通过该自由运动空间，在施压过程中，上基台与下基台能够实现自动调平，避免因上下基台不平行、晶圆厚度不均匀导致的键合压力不均匀的问题。进一步地，压合控制系统通过压力传感器的反馈实时监控基台各处的压力，能够根据压力差实时对基台各处压力进行调整，保证在键合过程中晶圆所受压力处处相等，提高了键合效果；

在本发明提供的晶圆键合装置中，压合机构与上基台通过一个连接机构连接，二者具有一定的自由运动空间，从而可以实现基台的自动调平；

在本发明提供的晶圆键合装置中，压合控制系统通过压力传感器的反馈实时监控基台各处的压力，并能够根据压力差实时对基台各处压力进行调整；

在本发明提供的晶圆键合装置中，多个压合机构可以独立按顺序逐步施加压力，排出晶圆内多余气体。

本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书、以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的圆键合装置的整体的结构示意图；

图2是本发明的连接机构的截面结构示意图；

图3是本发明的下基台的俯视结构示意图；

图4是本发明的晶圆键合装置另一实施例的结构示意图；

图5是本发明的晶圆键合装置另一实施例的压合机构和压力传感器的结构示意图；

图6是本发明的晶圆键合装置另一实施例压合加工的结构示意图。

图中：压合控制系统2；温度控制系统3；压合机构10；连接机构11；压力传感器12；上基台13；下基台14；支撑机构15；基台支撑件151；支撑机构底座152；支撑机构侧柱153；支撑机构顶盖154；连接杆110；推杆连接头112；球槽113；晶圆定位槽140；第一对准点1400；第二对准点1401；圆定位夹具141；挡块1410；挡块滑槽1411；顶紧弹性件1412；第一压合机构101；第二压合机构102；第三压合机构103；第一压力传感器121；第二压力传感器122；第三压力传感器123；压合控制系统二5；加工芯片7。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中间”、“顶”、“底”、“内”、“外”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申请和简化描述，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申请的限制。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一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

另外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；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。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，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。

具体实施方式一：

如图1—图3所示，一种晶圆键合装置及晶圆键合系统，包括压合机构10、连接机构11、上基台13、下基台14和支撑机构15，压合机构10固定在支撑机构15内壁的上侧，压合机构10的下端通过连接机构11铰接上基台13，下基台14设置在支撑机构15内壁的下侧；支撑机构15包括基台支撑件151，支撑机构底座152、支撑机构侧柱153和支撑机构顶盖154，基台支撑件151，基台支撑件151固定在支撑机构底座152上，支撑机构底座152通过多个支撑机构侧柱153固定支撑机构顶盖154；压合机构10固定在支撑机构顶盖154上；所述的连接机构11包括连接杆110、推杆连接头112和球槽113，压合机构10的下方固定推杆连接头112，连接杆110端的中心设置有球槽113，推杆连接头112的下端为球形，推杆连接头112的下端铰接在球槽113内；

本实施例的工作原理和有益效果为：压合机构10可以是伺服电机、液压缸或者电动伸缩杆等；其上方固定在支撑机构顶盖154上，固定方式可以是螺丝连接等。伺服电机通过控制其推杆的上下移动可以将上基台13向下推送与下基台14相贴合，并进一步对上基台施加推力，以达到对待键合芯片施加一定压力的目的；压合机构10下方通过推杆连接头112与连接机构11相连接，连接机构11下方连接多个压力传感器12，进一步与上基台13连接，连接方式可以是螺丝等；下基台14与上基台13相对设置，下基台14底部通过基台支撑件151固定在支撑机构底座152上，基台支撑件151可以是螺丝、铜柱等常见支撑件；支撑机构底座152、支撑机构侧柱153、支撑机构顶盖154共同构成支撑机构15，其材质可以为钣金等常用机架材质，支撑机构15具有足够的刚性，以抵抗键合过程中上下基台对其的反作用力。

具体实施方式二：

如图1—图3所示，一种晶圆键合装置及晶圆键合系统，所述的压合机构10的下方固定推杆连接头112，连接杆110端的中心设置有球槽113，推杆连接头112的下端为球形，推杆连接头112的下端铰接在球槽113内；推杆连接头112下部分为球形，对应于连接杆110上方的球槽113；

本实施例的工作原理和有益效果为：球槽113内部直径大于连接头球头的直径，但开口直径小于连接头球头的直径，在加工时，预先将球头嵌入到球槽中，推杆连接头112与连接杆110即实现牢固连接，且二者具有一定的自由运动空间实现铰接；进一步地，当压合机构带动连接机构11与上基台13向下运动与下基台14接触后，由于上述自由运动空间，上基台13在受到压力时，可以在一定程度上改变水平角度，即当上基台13与下基台14不完全平行时，或上基台13与下基台14不同部分受力不均匀时，上基台13与可以自动进行调平，消除键合压力不均匀的问题。

具体实施方式三：

如图1—图3所示，一种晶圆键合装置及晶圆键合系统，连接杆110的下端固定在上基台13上，上基台13上均匀设置有多个压力传感器12；压合机构10与多个压力传感器12均通过电连接压合控制系统2；所述的下基台14与上基台13相对设置，下基台14的底部通过基台支撑件151固定在支撑机构底座152上；上基台13和下基台14均通过电连接温度控制系统3；所述的下基台14内设置有晶圆定位槽140，下基台14上均匀设置有多个圆定位夹具141；晶圆定位槽140的外围均匀分布设置有第一对准点1400和多个第二对准点1401。

本实施例的工作原理和有益效果为：下基台14为任意形状，优选为规则形状，如圆形、正方形等，本实施例中为圆形。下基台中间有晶圆定位槽140，可以用机械加工的方式形成盲槽，尺寸可以匹配4寸晶圆、6寸晶圆、8寸晶圆或其他尺寸芯片；在晶圆定位槽140外围，有一个第一对准点1400与多个第二对准点1401，第一对准点1400为一平边，对应于待键合晶圆的平边，第二对准点1401对应于晶圆边缘的另外两点或多个点，优选地，第一对准点1400与多个第二对准点1401在晶圆周围均匀分布。在本实施例对键合过程中，首先将待键合晶圆放置在晶圆定位槽140内，使其平边与第一对准点1400对齐，然后调节晶圆定位夹具141中对挡块1410使其在挡块滑槽1411中通过顶紧弹性件1412沿滑槽方向前后移动，使其与晶圆边缘紧密贴合，此时第一对准点1400与挡块1410共同将待键合晶圆牢固卡住，避免了晶圆在键合过程中对相对滑移。晶圆定位夹具141的实施方式可以有多种，如本实施例中的挡块与挡块滑槽，除此之外，还可以是弹簧、卡扣等其他常见卡位装置。所述晶圆定位槽140与晶圆定位夹具141，通过卡住晶圆边缘以实现晶圆的定位和固定，保证了待键合晶圆在键合过程中始终保持在基台中心位置，且上下两张晶圆不发生相对滑移；

上基台13和下基台14同时为压合基台与加热基台，其材质可以是铝、陶瓷、石墨或其他常用加热板材质，其表面经过抛光或其他表面处理以达到一定的表面粗糙度如3.2；上基台13和下基台14包括加热元件与温度传感器，均电气连接至温度控制系统3，其根据温度传感器的反馈，实时调整加热元件的输出功率，以达到对基台温度进行实时控制的目的；上基台13和下基台14可以包括一层隔热层，在上基台13上方与下基台14下方，用于将基台产生的热量与其他结构隔绝，避免伺服电机等机构因持续加热而造成损坏或降低寿命；上基台13和下基台14可以包括一层散热层，在上基台13上方与下基台14下方，用于将多余的热量引导至机构外部，避免对内部机构产生不良影响。

压合机构10与压力传感器12均电气连接至压合控制系统2；压力传感器12可实时反馈当前键合压力，压合控制系统2根据当前键合压力，调整压合机构10当前压力输出，达到对键合压力进行实时控制的目的，同时可以实时监控基台上不同位置压力的差异，若该差异过大，则表明当前晶圆键合存在受力不均异常，可调整基台支撑件151使基台各处压力趋于相等，以保证晶圆在键合过程中始终处处受力均匀。

具体实施方式四：

如图4—图6所示，一种晶圆键合装置及晶圆键合系统，所述的支撑机构顶盖154的下端均匀固定第一压合机构101、第二压合机构102和第三压合机构103，第一压合机构101、第二压合机构102和第三压合机构103的下端均固定在上基台13上；所述的第一压合机构101、第二压合机构102和第三压合机构103上分别设置有第一压力传感器121、第二压力传感器122和第三压力传感器123；第一压合机构101、第二压合机构102和第三压合机构103及第一压力传感器121、第二压力传感器122和第三压力传感器123通过电连接压合控制系统二5。

本实施例的工作原理和有益效果为：在该实施例中，压合机构由多个伺服电机组成，每个伺服电机上方固定在支撑机构顶盖154上，每个伺服电机下方连接一个压力传感器，进一步地与上基台13连接；如图5，压合机构10可以包括三个子机构，即第一压合机构101、第二压合机构102和第三压合机构103，其分别与第一压力传感器121、第二压力传感器122和第三压力传感器123连接，连接方式可以是螺丝等。三组压合机构及压力传感器中心对称地分布在基台之上，与基台中心距离相等，以便更优得实现对基台各处的压力监控与控制。每个子压合机构及压力传感器均电气连接于压合控制系统二5，其通过实时监控各个压力传感器的反馈，能够得到当前基台上压力分布的状态，在压力不均时，控制相应子压合机构进行动态调整，以保证基台各处压力相等。

如图6，进一步地，通过压合控制系统二5可以控制不同子压合机构独立工作，按一定顺序先后施压。在键合之前，首先要对晶圆进行预贴合，即首先降下上基台使上基台、晶圆与下基台紧密贴合，之后再逐步增加压力，进行热压操作。在预贴合过程中，晶圆内气体不易排出，在后续热压过程中，由于受热膨胀，在晶圆中会产生向外的不均匀的压力，对键合效果有不良影响。通过实施例中对结构，可以使多个子压合机构按一定顺序逐渐施压，在一个子压合机构施压时，其与其他子压合机构处出现压力差，该压力差有利于晶圆内气体的排出，避免了晶圆内气泡对后续键合过程产生的不良影响。

上述说明并非对本发明的限制，本发明也不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种晶圆键合装置，其特征在于：包括压合机构（10）、连接机构（11）、上基台（13）、下基台（14）和支撑机构（15），压合机构（10）固定在支撑机构（15）内壁的上侧，压合机构（10）的下端通过连接机构（11）铰接上基台（13），下基台（14）设置在支撑机构（15）内壁的下侧。

2.根据权利要求1所述的一种晶圆键合装置，其特征在于：所述的支撑机构（15）包括基台支撑件（151），支撑机构底座（152）、支撑机构侧柱（153）和支撑机构顶盖（154），基台支撑件（151），基台支撑件（151）固定在支撑机构底座（152）上，支撑机构底座（152）通过多个支撑机构侧柱（153）固定支撑机构顶盖（154）；压合机构（10）固定在支撑机构顶盖（154）上。

3.根据权利要求2所述的一种晶圆键合装置，其特征在于：所述的连接机构（11）包括连接杆（110）、推杆连接头（112）和球槽（113），压合机构（10）的下方固定推杆连接头（112），连接杆（110）端的中心设置有球槽（113），推杆连接头（112）的下端为球形，推杆连接头（112）的下端铰接在球槽（113）内。

4.根据权利要求3所述的一种晶圆键合装置，其特征在于：所述的连接杆（110）的下端固定在上基台（13）上，上基台（13）上均匀设置有多个压力传感器（12）；压合机构（10）与多个压力传感器（12）均通过电连接压合控制系统（2）。

5.根据权利要求4所述的一种晶圆键合装置，其特征在于：所述的下基台（14）与上基台（13）相对设置，下基台（14）的底部通过基台支撑件（151）固定在支撑机构底座（152）上；上基台（13）和下基台（14）均通过电连接温度控制系统（3）。

6.根据权利要求5所述的一种晶圆键合装置，其特征在于：所述的下基台（14）内设置有晶圆定位槽（140），下基台（14）上均匀设置有多个圆定位夹具（141）；晶圆定位槽（140）的外围均匀分布设置有第一对准点（1400）和多个第二对准点（1401）。

7.根据权利要求6所述的一种晶圆键合装置，其特征在于：所述的圆定位夹具（141）包括挡块（1410）、挡块滑槽（1411）和顶紧弹性件（1412），挡块滑槽（1411）均匀设置在下基台（14）上，挡块（1410）通过顶紧弹性件（1412）限位滑动在挡块滑槽（1411）内。

8.根据权利要求2所述的一种晶圆键合装置，其特征在于：所述的支撑机构顶盖（154）的下端均匀固定第一压合机构（101）、第二压合机构（102）和第三压合机构（103），第一压合机构（101）、第二压合机构（102）和第三压合机构（103）的下端均固定在上基台（13）上。

9.根据权利要求8所述的一种晶圆键合装置，其特征在于：所述的第一压合机构（101）、第二压合机构（102）和第三压合机构（103）上分别设置有第一压力传感器（121）、第二压力传感器（122）和第三压力传感器（123）；第一压合机构（101）、第二压合机构（102）和第三压合机构（103）及第一压力传感器（121）、第二压力传感器（122）和第三压力传感器（123）通过电连接压合控制系统二（5）。

10.一种适用于权利要求1-9任一项所述的晶圆键合装置的晶圆键合系统，其特征在于：所述的上基台（13）和下基台（14）之间设置有键合芯片（7）。