CN117316837A - 晶圆混合键合工艺的真空互联设备及数字孪生系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了晶圆混合键合工艺的真空互联设备及数字孪生系统，包括第一真空腔，其内设置若干第一腔室；第二真空腔，其真空度高于第一真空腔且其内设置若干第二腔室；缓冲腔，连通在第一真空腔与第二真空腔之间；转运设备，设置在真空互联设备内并将晶圆及芯粒在各腔室之间进行转运；第一腔室及第二腔室内按照晶圆混合键合工艺各工序顺序依次安装有对应工序的设备仪器；提供了用于混合键合工艺的真空互联环境，将混合键合各工序所需设备整合，通过自动化的转运设备对晶圆进行转移及调控，并根据不同工艺所需加工时间不同对晶圆加工；还能同时进行晶圆与晶圆以及晶圆与芯粒的混合键合，提高混合键合效率并提升产品的适用性。

Description

晶圆混合键合工艺的真空互联设备及数字孪生系统
技术领域
本发明涉及晶圆键合技术领域，尤其涉及晶圆混合键合工艺的真空互联设备及数字孪生系统。
背景技术
三维集成电路作为公认的新一代半导体技术，其核心技术就是堆叠键合(StackedBonding）和硅通孔（TSV)。三维集成中的硅片级键合技术包括粘合键合、金属扩散键合、共熔键合、硅基直接键合和混合键合等。其中，混合键合是新兴技术，混合键合(Hybridbonding)结合了金属-金属键合和介质-介质键合，在获得垂直金属互连的同时，采用介质粘合的辅助作用来增强3D堆叠芯片之间的物理机械性能。由于电互连和微孔隙介质填充同时进行，因此混合键合技术有效简化了3D工艺流程，并避免了特征尺寸减小带来的微孔隙填充技术挑战，可应用于高密度的硅片间键合工艺。
混合键合工艺需要在真空环境中进行，并采用化学机械抛光，原子层沉积等工艺以提高键合表面质量，因此通常采用真空互联作业环境以降低各工艺及转运过程间的污染。国际专利WO2018076700A1就公开了一种硅片间的混合键合方法，其通过降低金属退火温度，来减少出现介质分层的风险，进而降低工艺集成难度。但混合键合工艺整个流程极长，工序复杂繁琐，其中影响晶圆键合质量的因素众多且关系复杂多变，如果仅控制其中某一工序的某一变量，实际上难以满足对晶圆键合最终成品质量的把控。
为了实现对混合键合工艺全流程全要素的把控，数字孪生技术开始被引入并结合到真空互联系统中。数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程；简单来说，数字孪生就是在一个设备或系统的基础上，创造一个数字版的“克隆体”。因而，通过数字孪生来仿真模拟整个真空互联系统进行整个晶圆混合键合工序流程，在虚拟空间中完成对混合键合整体流程的映射，从而实现能够检测各工序流程中的各参数变量并根据前后工序的中间产物变化及需求调整各工序控制参数的目的。但如何将数字孪生技术与混合键合工艺进行结合，尚处在研究阶段。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了晶圆混合键合工艺的真空互联设备及数字孪生系统。
本发明的技术方案是这样实现的：本发明提供了一种晶圆混合键合真空互联设备，包括第一真空腔，其内设置若干第一腔室；第二真空腔，其真空度高于第一真空腔且其内设置若干第二腔室；缓冲腔，连通在第一真空腔与第二真空腔之间；转运设备，设置在真空互联设备内并将晶圆及芯粒在各腔室之间进行转运；其中，第一腔室及第二腔室内按照晶圆混合键合工艺各工序顺序依次安装有对应工序的设备仪器。
在以上技术方案的基础上，优选的，若干第二腔室依次为CMP腔、ALD沉积腔、表面粗糙度与弯曲度检测腔、晶圆切割腔、等离子清洗腔、芯粒测试腔、表面活化腔、表面处理腔、翻转与预对准腔、对准与预键合腔及键合腔；若干第一腔室依次为来料缓存腔、晶圆芯粒检测腔、晶圆清洗腔、键合质量检测腔及出料缓存腔，来料缓存腔、晶圆芯粒检测腔及晶圆清洗腔的工序顺序位于CMP腔之前，键合质量检测腔及出料缓存腔位于键合腔之后。
更进一步优选的，转运设备包括传送带，设置在第一真空腔内；机械臂，设置在第二真空腔内；托盘，其上能够装载晶圆或者芯粒并被机械臂托起并在各第二腔室之间转移；其中，若干第二腔室围绕机械臂设置；缓冲腔位于CMP腔与键合腔之间；来料缓存腔、晶圆芯粒检测腔及晶圆清洗腔位于传送带一侧并靠近CMP腔，键合质量检测腔及出料缓存腔位于传送带另一侧并靠近键合腔。
另一方面，本发明还提供了一种数字孪生系统，用于上述的晶圆混合键合真空互联设备，包括系统环境监控模块，在各腔室内设置传感器并通过传感器对各腔室环境参数以及转运设备空间信息进行测量与反馈；数字孪生体，基于晶圆混合键合真空互联设备的物理信息构建虚拟模型，将传感器监测数据作为设置参数以实时反映设备的真实状态；可靠性仿真驱动模块，依据传感器监测参数以及实际环境建立连续性工艺仿真模型，通过仿真结果对工艺效果进行预测并调控，并依据调控后的环境参数再次更新仿真模型实现模型的数字驱动。
在以上技术方案的基础上，优选的，所述可靠性仿真驱动模块建立连续性仿真模型的方法包括以下步骤，
S1确定各关键工序的理论方程，并依据应用场景建立多物理场耦合，其中，
S11确定混合键合工艺流程中影响键合结果的关键工序；
S12依据S11确定的关键工序，确定各工序对应的机理，为建立多物理场耦合仿真提供理论基础；
S13根据S12确定的机理，建立多物理场耦合模型，对各工序仿真环境进行多物理场耦合描述；
S2依据S1提供的理论方程以及多物理场耦合，结合各关键工序中各设备仪器的空间信息，建立连续性工艺仿真模型，并根据实时状态下传感器监测的关键参数设置模型信息，其中，
S21依据实际工序设备仪器的物理信息建立各工序的仿真模型，并按照系统监测的关键参数设置模型信息；
S22建立各模型间仿真结果的连续性传递，提取前一工序仿真结果关键信息作为后一工序仿真模型的设置参数，完成连续性仿真；
S3根据S2仿真模型，获取各工序及其可靠性的参数反馈，通过仿真模型反映晶圆与系统在已知条件下的状态，指出可能发生损伤的部位，并提出相应参数的优化建议；
S4针对S3获得的参数反馈，输入到数字孪生体中，调整相应工艺参数，对工艺流程进行优化；
S5利用传感器提取优化后真空互联设备内各腔室中的关键参数，并反馈至S2中，实现实物对仿真的数据驱动。
更进一步优选的，步骤S3中获取反馈并提出优化建议的方法包括以下步骤，
S31通过将真空互联设备内的设置参数输入至仿真模型内获得仿真结果；
S32若仿真结果出现明显的材料失效时，系统将停止运行，并进一步验证模型结果以确定仿真正确性；
S33若仿真结果在预期范围外但没有失效时，则通过调整模型参数直至仿真结果达到预期，并依据参数调整结果提出优化建议；
S34若仿真结果在预期范围内，则继续工艺流程。
更进一步优选的，步骤S32至步骤S34中判断仿真结果是否失效的判断依据至少包括损伤因子及多物理场失效情况；损伤因子根据晶圆键合表面在加工过程中的疲劳损伤机制获知，损伤因子采用累计剪切应变作为损伤状态变量，通过实时仿真结果中获取的相应参数对加工过程的损伤进行判断；多物理场失效情况至少需要将应力、应变、温度湿度、材料去除率四种参数综合起来作为判断依据。
更进一步优选的，多物理场失效判断方法的具体公式为，
W(x)=ω1F(x)+ω2G(x)+ω3H(x)+ω4I(x)，
式中，W表示工艺过程中加工区域的损伤程度，F、G、H、I分别代表应力、应变、温度湿度、材料去除所造成的损伤程度，ω1、ω2、ω3、ω4分别表示对应损伤程度的占比，x表示工艺加工时间；
其中，应力至少包括机械应力、热应力、湿应力以及电应力，应变至少包括正应变、弹性切应变与非弹性切应变，因此F(x)、G(x)可以表示，
F(x)=ω11f1(x)+ω12f2(x)+ω13f3(x)+ω14f4(x)，
G(x)=ω21g1(x)+ω22g2(x)+ω23g3(x)，
式中，f1(x)、f2(x)、f3(x)、f4(x)分别表示机械应力、热应力、湿应力以及电应力大小，ω11、ω12、ω13、ω14分别表示对应应力的权重，g1(x)、g2(x)、g3(x)分别表示正应变、弹性切应变与非弹性切应变，ω21、ω22、ω23分别表示不同应变对应的权重；
其中，根据Peck加速模型可知温度湿度所造成的损伤与其计算模型呈反比，根据Luo-Dornfeld模型可知材料的损伤程度与去除率呈正相关，因此H(x)、I(x)可以表示为，
H(x)=1/LH，
I(x)=MRR，
式中，LH为与温湿度组合应力相关的寿命特征量，MRR为材料去除率；
其中，各组分的权重采用多元线性回归法与熵权法综合处理获得；
其中，采用多元线性回归法计算权重的计算步骤为，当自变量均为0时，损伤为0，因此多元线性回归模型的常数项以及常数回归参数均为0，W(x)即为总体回归方程，依据多元线性回归中最小二乘估计的假设，可以获得下式，
，
，
对上式求偏导可获得下式，
，
通过多组已知参数值以及损伤值的预实验可将权重计算获得并记为λωi；
其中，采用熵权法计算权重的计算步骤为，首先将数据标准化构建为标准化数据矩阵，标准化公式如下，
，
随后计算各参数的信息熵ei，其计算公式如下：
，
其中，∑F’(xi)=F’(xi)+G’(xi)+H’(xi)+I’(xi)，通过上式计算各参数的权重并记为μωi；
使用加法集成法对两组权重进行处理，并构建两种权重的距离函数D(λωi，μωi)，
，
计算两组权重的分布系数α与β，
D(λωi，μωi)2=(α-β)2，
α+β=1，
最终根据分布系数获得最终权重，
ωi=αλωi+βμωi。
更进一步优选的，多物理场失效判断依据为，当W(x)>10%，判断材料失效：当5%<W(x)<10%，判断材料准失效：当W(x)<5%，判断材料正常。
更进一步优选的，损伤演化方程的表达式为，
，
其中，Ω代表损伤因子，rm,ini，rm,max和M分别表示材料常数；当累计剪切应变rtol超过临界值rm,ini时，材料开始产生损伤，随着材料的变形累计累积，损伤逐渐增大，并在rm,max时达到最大值Ωmax，此后材料的损伤程度保持不变并保持最大值；材料参数M表示该损伤演化的速度，M越大表示对应材料的损伤速度也变快。
本发明的晶圆混合键合工艺的真空互联设备及数字孪生系统相对于现有技术具有以下有益效果：
（1）本发明提供了用于混合键合工艺的真空互联环境，将混合键合各工序所需设备整合，通过自动化的转运设备对晶圆进行转移及调控，并根据不同工艺所需加工时间不同对晶圆加工；还能同时进行晶圆与晶圆以及晶圆与芯粒的混合键合，提高混合键合效率并提升产品的适用性；而且避免了转运过程中键合表面可能发生的氧化、污染等问题，提高了键合质量以及成品率。
（2）本发明将真空互联设备结合数字孪生技术，建立数字孪生体与可靠性仿真驱动模块，通过精密传感器对仪器内部环境进行实时监控，结合数据驱动的可靠性连续仿真模型，对工艺过程进行实时仿真与预测，并依据预测结果对工艺参数进行调整，使晶圆在最优条件下进行处理与键合，提高键合质量与成品率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的真空互联设备的示意图；
图2为本发明的转运设备的立体图；
图3为本发明的数字孪生系统的流程示意图。
图中：1、传送带；2、来料缓存腔；3、晶圆芯粒检测腔；4、晶圆清洗腔；5、缓冲腔；6、CMP腔；7、ALD沉积腔；8、表面粗糙度与弯曲度检测腔；9、晶圆切割腔；10、等离子清洗腔；11、芯粒测试腔；12、表面活化腔；13、表面处理腔；14、翻转与预对准腔；15、对准与预键合腔；16、键合腔；17、键合质量检测腔；18、出料缓存腔；19、托盘；20、机械臂。
具体实施方式
下面将结合本发明实施方式，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明的一种晶圆混合键合真空互联设备，包括第一真空腔、第二真空腔、缓冲腔5及转运设备。
其中，第一真空腔其内设置若干第一腔室；第一真空腔是设备的低真空部分，其真空度要求在10-1~102Pa。第二真空腔其真空度高于第一真空腔且其内设置若干第二腔室；第二真空腔是设备的高真空部分，其真空度要求在10-4~10-1Pa。第一腔室及第二腔室内按照晶圆混合键合工艺各工序顺序依次安装有对应工序的设备仪器。
缓冲腔5连通在第一真空腔与第二真空腔之间。
转运设备设置在真空互联设备内并将晶圆及芯粒在各腔室之间进行转运。本实施例通过真空设备互联设备为混合键合工艺提供了真空互联环境，将混合键合各工序所需设备整合，通过自动化的转运设备对晶圆进行转移及调控，并根据不同工艺所需加工时间不同对晶圆加工。
在图1所示的一优选实施例中，由于各腔室内分别进行对应的工序，若干第二腔室依次为CMP腔6、ALD沉积腔7、表面粗糙度与弯曲度检测腔8、晶圆切割腔9、等离子清洗腔10、芯粒测试腔11、表面活化腔12、表面处理腔13、翻转与预对准腔14、对准与预键合腔15及键合腔16；若干第一腔室依次为来料缓存腔2、晶圆芯粒检测腔3、晶圆清洗腔4、键合质量检测腔17及出料缓存腔18，来料缓存腔2、晶圆芯粒检测腔3及晶圆清洗腔4的工序顺序位于CMP腔6之前，键合质量检测腔17及出料缓存腔18位于键合腔16之后。
整个工艺的具体流程为：
待键合晶圆首先放入来料缓存腔2，根据系统内部混合键合进度，通过内部转移装置如推杆或输送机构控制将晶圆送入传送带1。晶圆通过传送带1在第一真空腔内进行运输，首先运至晶圆芯粒检测腔3，通过探针仪器对晶圆进行电学无损测试（NDT），将失效芯粒区域标记，标记后的芯粒将不会进入后续工艺，降低工序成本，提高成品率。检测过后，晶圆运输回传送带1。
晶圆随后被运至晶圆清洗腔4，通过等离子体或者超声的方式对晶圆表面进行清洗。具体的，使用等离子清洗时，需保证2-3Pa的真空度；使用超声清洗时，需引入液体，并且在清洗过后需要排出气体与污垢，因此在清洗过程中，腔室需关闭，待清洗结束并将腔室内部真空度重新调节与第一真空腔一致后，打开腔门并将晶圆运至传送带1上。
晶圆接着送入缓冲腔5。晶圆即将进入前，缓冲腔5右侧打开，左侧关闭；晶圆进入缓冲腔5后，腔室右侧关闭，腔室内真空度降至与第二真空腔相同之后，打开左侧腔门，由转运机械臂夹取晶圆进行后续工艺。
晶圆在第二真空腔内首先置入CMP腔6，CMP腔6由于大量液体参与工艺，因此设置腔室内部缓冲区，晶圆首先进入缓冲区后，腔门关闭，中间腔门打开，晶圆由内部转运设备运至CMP仪器；待抛光过后，晶圆运输回缓冲区，中间腔门关闭，待缓冲区内真空度降低后，腔门打开，晶圆由机械臂移出。通过化学研磨方法将晶圆表面粗糙度降至RMS＜0.5nm。
ALD沉积腔7用于沉积金属中介层，通过在晶圆表面发生化学反应，制造制备高质量、均匀、薄膜厚度与方向可控的金属薄膜，从而提高键合过程中Cu原子的扩散速率，降低键合温度，提高键合质量与成品率。ALD沉积腔7内的真空度要求为10-5~10-3Pa，需多级离子泵分子泵提供高要求真空环境。
表面粗糙度与弯曲度检测腔8通过AFM对表面粗糙度进行检测，通过三维光学轮廓仪对表面弯曲度进行检测。表面粗糙度与弯曲度检测腔8内的工艺过程不会导入气体或液体，并且在工艺过程中无污染物的产生，因此可以选择不关闭腔门。对于部分芯粒不满足粗糙度或弯曲度的需求时，可对对应芯粒进行标记，标记后的芯粒区域不参与后续工艺，以减少浪费提高成品率；对整片晶圆不满足粗糙度需求的，可以重新运回CMP腔6进行抛光；对整片晶圆不满足弯曲度要求的，可对晶圆进行标记，标记后的晶圆不参与后续工艺。
晶圆切割腔9可将晶圆切割获取单个芯粒，晶圆切割腔9可选择性使用：当进行晶圆-晶圆键合时，晶圆跳过晶圆切割腔9进行后续工艺；当进行芯粒-晶圆或芯粒-芯粒键合时，晶圆由机械臂运至晶圆切割腔9进行切割。晶圆切割腔9使用激光隐形切割或等离子体刻蚀对晶圆进行切割，通过上述切割方式，可以降低污染物的产生，并减少芯粒变形的风险，提高成品率。晶圆切割腔9内的真空度需求为1-10Pa。
切割后的芯粒需运输至等离子清洗腔10进行清洗，去除前序工艺中可能引入的杂质与表面油污。等离子清洗腔10的清洗方式与真空度需求和晶圆清洗腔4相同。
清洗过后的芯粒被运输至芯粒测试腔11内进行芯粒质量检测，芯粒测试腔11通过电学检测等方式对芯粒的电气功能进行验证，通过超声或X射线等方式检测芯粒内部是否存在缺陷，通过检测将质量不合格的芯粒标记并且不参与后续工艺，提高键合质量与成品率。芯粒测试腔11内的工艺过程不会导入气体或液体，并且在工艺过程中无污染物的产生，因此可以选择不关闭腔门。
键合前晶圆或芯粒需运输至表面活化腔12对键合表面进行活化处理。为避免引入过量液体，表面活化腔12使用Ar原子束对晶圆、芯粒进行处理，去除铜表面氧化层，并将键合表面活化处理。该过程需要保证10-4~10-6Pa的高真空环境，运行过程中表面活化腔12腔室关闭。
晶圆表面活化过后需继续对表面进行处理以使键合表面获取目标化学基团，因此芯粒、晶圆在运出表面活化腔12后会被迅速运输至表面处理腔13进行处理。通过向表面处理腔13内通入N2与H2O气体，在3KPa的压强下反应5min，使得键合表面挂上-OH基，可在后续键合过程中形成稳定化学键，提高键合质量并可降低键合退火温度。该过程由于需导入气体，因此在加工过程中腔门关闭。
翻转与预对准腔14用于将晶圆或芯粒翻转并进行初步对准。由于翻转过程需要两块晶圆位置固定，因此在该腔室内设置托盘19以及机械臂20。托盘19具有两对或者多对晶圆固定盘，用于固定晶圆或已切割的芯粒晶圆。通过托盘19将目标晶圆旋转运输至机械臂前端，通过机械臂20夹取进行翻转与预对准功能。由于翻转与预对准腔14所涉及的工艺过程不会造成污染，因此腔门打开，其余待翻转的晶圆可提前放入至其余晶圆固定盘内，以提高工作效率。
随后待键合晶圆被运输至对准与预键合腔15进行键合前的位置，通过晶圆对准仪器实现晶圆与晶圆、晶圆与芯粒的相对位置对准，要求对准精度≤500nm。预键合过程在常温中进行，通过仪器将键合表面贴合，使得表面基团发生反应形成较为稳定的化学键，实现初步键合。在此过程中，晶圆与晶圆或者晶圆与芯粒将充分接触，并施加一定的压力，使活化后的键合表面发生一定的化学反应，提高键合强度。
随后晶圆运输至键合腔16，由于在本真空互联设备的整个工艺流程中，晶圆或芯粒依次进行了CMP机械化学抛光处理、ALD沉积金属中阶层及表面活化处理，从而获得了平整、活性的键合表面，因此键合过程中可以使用200℃的底退火温度进行键合，键合时间为7h以保证键合达到饱和。完成键合的高温退火强化时，Cu-Cu键合表面在退火过程中实现完全电学互联，SiO2-SiO2之间形成稳定的Si-O键，形成牢固的键合表面。
键合过后的晶圆通过缓冲腔5运输回第一真空腔内的传送带1上，并在键合质量检测腔17进行键合质量检测。通过无损检测如电阻/热阻检测、超声SAT检测、X射线检测等方式，对键合界面的电性能、缺陷、强度等进行检测，以判断键合是否合格。最终键合完成的晶圆将放入出料缓存腔18，等待后续加工。至此混合键合工序完毕。
整个混合键合真空互联设备运行过程中，并非需要前一片晶圆进行完毕完整的一套工艺之后，后一片晶圆才能进行加工，而是多个腔室可进行同时加工；对于工艺时间较短的腔室，设置有托盘19，可将加工后的晶圆暂时存放在此。
在图2所示的一优选实施例中，为了实现上述工艺流程，转运设备包括传送带1、托盘19及机械臂20。
其中，传送带1设置在第一真空腔内。
托盘19其上能够装载晶圆或者芯粒并被机械臂20托起并在各第二腔室之间转移。托盘19又称晶圆转移转盘，其具有两对或者多对晶圆固定盘，用于固定晶圆或已切割的芯粒晶圆。
机械臂20为自动化的多轴机械操作臂，用于晶圆或者芯粒的翻转或者预对准。机械臂20设置在第二真空腔内。
若干第二腔室围绕机械臂20设置；缓冲腔5室位于CMP腔6与键合腔16之间；来料缓存腔2、晶圆芯粒检测腔3及晶圆清洗腔4位于传送带1一侧并靠近CMP腔6，键合质量检测腔17及出料缓存腔18位于传送带1另一侧并靠近键合腔16；通过上述布局，形成一套完整且顺畅的工序流程设计。
如图3所示，本发明的一种数字孪生系统，用于上述任一实施例的晶圆混合键合真空互联设备，目的旨在结合数字孪生技术并通过建立数字孪生系统提高真空互联设备的控制精度并优化工艺流程，包括系统环境监控模块、数字孪生体及可靠性仿真驱动模块。
其中，系统环境监控模块在各腔室内设置传感器并通过传感器对各腔室环境参数以及转运设备空间信息进行测量与反馈。具体来说，系统环境监控模块设置的传感器或者检测元件包括：（1）陀螺仪与加速度计，安装于机械臂各关节处，可监测晶圆的实时位置；（2）温度传感器，安装于各腔室内部，用于监控腔室的实时温度，重点监控温度为关键参数的腔室，如对准与预键合腔15及键合腔16；（3）真空度计，安装于各腔室内部，用于监控腔室的实时真空度，重点监控腔室为表面活化腔12；（4）液体/气体浓度传感器，主要安装于CMP腔6、等离子清洗腔10、表面活化腔12及表面处理腔13，用于监控对应腔室内的关键气体/液体浓度，根据需求在工艺过程中对浓度进行实时调控。
数字孪生体基于晶圆混合键合真空互联设备的物理信息构建虚拟模型，将传感器监测数据作为设置参数以实时反映设备的真实状态。具体来说，数字孪生体的建立过程如下：（1）依据真空互联设备各腔室中的设备仪器的空间物理参数建立物理模型，该模型可精确反映系统的真实形貌；（2）基于系统环境监控模块的传感器及检测元件实时反馈真空互联设备内的关键参数数据，如机械臂20的空间位置、CMP腔6内的液体浓度、键合腔16的键合温度等参数；（3）将物理模型与监测参数导入可视化软件中建立数字孪生体，并基于传感器数据建立关键参数与物理模型节点的耦合，实现监测参数带动软件内模型运转功能；（4）创建虚拟模型与实物的双向传输，通过软件操作控制虚拟互联设备，远程传输信息至实体互联设备，实现数字孪生模型对实物的调控。
可靠性仿真驱动模块依据传感器监测参数以及实际环境建立连续性工艺仿真模型，通过仿真结果对工艺效果进行预测并调控，并依据调控后的环境参数再次更新仿真模型实现模型的数字驱动。
在图3所示的一优选实施例中，可靠性仿真驱动模块建立连续性仿真模型的方法包括以下步骤：
S1确定各关键工序的理论方程，并依据应用场景建立多物理场耦合，其子步骤如下：
S11确定混合键合工艺流程中影响键合结果的关键工序；S11确定的关键工序包含但不限于CMP腔6的化学机械抛光、ALD沉积腔7的原子层沉积、表面活化腔12的表面活化、等离子清洗腔10的等离子清洗以及键合腔16的混合键合；
S12依据S11确定的关键工序，确定各工序对应的机理，为建立多物理场耦合仿真提供理论基础。具体来说，关键工序机理包括但不仅限于以下模型：
（1）与热应力相关的Arrhenius模型。由于高温能使晶圆内部加快物理化学反应，促使晶圆提前失效，因此以温度作为加速应力的加速寿命模型为，
LT=Ae-Ea／KT，
式中，Lr是某寿命特征量；A是一个常数，且A＞0，Ea是激活能，与材料有关，单位是电子伏特；K是波尔兹曼常数；T是绝对温度；
（2）与温度和湿度组合应力相关的Peck模型。较高的湿度导致晶圆在工艺过程中易发生化学反应，或发生一定的腐蚀失效，以温度湿度组合的加速寿命模型为，
LH=B×(RH)-2.7e0.79／KT，
式中，B为常数，RH为相对湿度，K是波尔兹曼常数；T是绝对温度；
（3）与材料去除相关的Luo-Dornfeld模型。晶圆在化学机械抛光过程中的材料去除速率受压力、速率、试样硬度等多个参数的影响，其材料去除率模型为，
，
式中，MRR为材料去除率；Φ为标准正态分布函数；P0为下压力；V为相对速度，C1、C2均为可根据已知参数获得的常量；
（4）不同机理的物理场耦合模型。基于已知的单物理场模型，依据不同的仿真模型要求建立相对应的多物理场耦合模型，如热-电耦合、热-力耦合、电-化学耦合等；
S13根据S12确定的机理，建立多物理场耦合模型，对各工序仿真环境进行多物理场耦合描述。
S2依据S1提供的理论方程以及多物理场耦合，结合各关键工序中各设备仪器的空间信息，建立连续性的工艺力学仿真模型，并根据实时状态下传感器监测的关键参数设置模型信息，其中，
S21依据实际工序设备仪器的物理信息建立各工序的仿真模型，并按照系统监测的关键参数设置模型信息；本实施例通过有限元、分子动力学等仿真软件，结合真空互联设备的各仪器设备的实际尺寸建立仿真模型；仿真模型的关键参数通过传感器对真空互联设备的实时预测获得；针对不同的仿真模型，关键参数的要求也不完全相同，各腔室内的传感器可针对性提高该腔室内关键参数的测量精度与速度；
S22建立各模型间仿真结果的连续性传递，提取前一工序仿真结果关键信息作为后一工序仿真模型的设置参数，完成连续性仿真；限于传感器可测量参数的类型，在晶圆加工过程中，部分参数如晶圆翘曲、晶圆应力集中等无法通过传感器获取，因此本实施例构建连续性仿真模型，根据工序将各仿真模型串联，基于前一工序的仿真结果对后一工序进行设置，实现了仿真模型的真实性与连续性，降低仿真结果的误差。
S3根据S2仿真模型，获取各工序及其可靠性的参数反馈，通过仿真模型反映晶圆与系统在已知条件下的状态，指出可能发生损伤的部位，并提出相应参数的优化建议。
S4针对S3获得的参数反馈，输入到数字孪生体中，调整相应工艺参数，对工艺流程进行优化。
S5利用传感器提取优化后真空互联设备内各腔室中的关键参数，并反馈至S2中，实现实物对仿真的数据驱动。
在图3所示的一优选实施例中，步骤S3中获取反馈并提出优化建议的方法包括以下步骤，
S31通过将真空互联设备内的设置参数输入至仿真模型内获得仿真结果；
S32若仿真结果出现明显的材料失效时，系统将停止运行，并进一步验证模型结果以确定仿真正确性；
S33若仿真结果在预期范围外但没有失效时，则通过调整模型参数直至仿真结果达到预期，并依据参数调整结果提出优化建议；
S34若仿真结果在预期范围内，则继续工艺流程。
在图3所示的一优选实施例中，由于各工序均考虑到多物理场耦合，在失效判断过程中单一参数的判断准则往往与实际情况之间存在着较大偏差，因此还需构建统一的、综合的判断准则对各工序结果进行可靠性验证；判断依据包括但不限于各物理场产生应力、损伤等参数，为获得更准确的判断结果并综合各判断依据，需要设计出一种基于累计损伤应变的损伤因子以及多物理场失效判断综合方法；具体来说，步骤S32至步骤S34中判断仿真结果是否失效的判断依据至少包括损伤因子及多物理场失效情况。
其中，损伤因子根据晶圆键合表面在加工过程中的疲劳损伤机制获知，损伤因子采用累计剪切应变作为损伤状态变量，通过实时仿真结果中获取的相应参数对加工过程的损伤进行判断。
多物理场失效情况至少需要将应力、应变、温度湿度、材料去除率四种参数综合起来作为判断依据。
在图3所示的一优选实施例中，多物理场失效判断方法的具体公式为，
W(x)=ω1F(x)+ω2G(x)+ω3H(x)+ω4I(x)，
式中，W表示工艺过程中加工区域的损伤程度，F、G、H、I分别代表应力、应变、温度湿度、材料去除所造成的损伤程度，ω1、ω2、ω3、ω4分别表示对应损伤程度的占比，x表示工艺加工时间。
其中，应力至少包括机械应力、热应力、湿应力以及电应力，应变至少包括正应变、弹性切应变与非弹性切应变，因此F(x)、G(x)可以表示，
F(x)=ω11f1(x)+ω12f2(x)+ω13f3(x)+ω14f4(x)，
G(x)=ω21g1(x)+ω22g2(x)+ω23g3(x)，
式中，f1(x)、f2(x)、f3(x)、f4(x)分别表示机械应力、热应力、湿应力以及电应力大小，ω11、ω12、ω13、ω14分别表示对应应力的权重，g1(x)、g2(x)、g3(x)分别表示正应变、弹性切应变与非弹性切应变，ω21、ω22、ω23分别表示不同应变对应的权重。
其中，根据Peck加速模型可知温度湿度所造成的损伤与其计算模型呈反比，根据Luo-Dornfeld模型可知材料的损伤程度与去除率呈正相关，因此H(x)、I(x)可以表示为，
H(x)=1/LH，
I(x)=MRR，
式中，LH为与温湿度组合应力相关的寿命特征量，MRR为材料去除率。
其中，在确定失效判断涉及参数后，还需确定各参数权重。使用熵权法可以客观计算各组分权重，但缺少数据之间的横向相关性；而多元线性回归法可以提现数据的相关性，因此各组分的权重采用多元回归法与熵权法综合处理获得。以W(x)为例介绍权重计算过程如下：
其中，采用多元线性回归法计算权重的计算步骤为，当自变量均为0时，损伤为0，因此多元线性回归模型的常数项以及常数回归参数均为0，W(x)即为总体回归方程，依据多元线性回归中最小二乘估计的假设，可以获得下式，
，
，
对上式求偏导可获得下式，
，
通过多组已知参数值以及损伤值的预实验可将权重计算获得并记为λωi；
其中，采用熵权法计算权重的计算步骤为，首先将数据标准化构建为标准化数据矩阵，标准化公式如下，
，
随后计算各参数的信息熵ei，其计算公式如下：
，
其中，∑F’(xi)=F’(xi)+G’(xi)+H’(xi)+I’(xi)，通过上式计算各参数的权重并记为μωi；
使用加法集成法对两组权重进行处理，并构建两种权重的距离函数D(λωi，μωi)，
，
计算两组权重的分布系数α与β，
D(λωi，μωi)2=(α-β)2，
α+β=1，
最终根据分布系数获得最终权重，
ωi=αλωi+βμωi。
在图3所示的一优选实施例中，多物理场失效判断依据为，当W(x)>10%，判断材料失效：当5%<W(x)<10%，判断材料准失效：当W(x)<5%，判断材料正常。
在图3所示的一优选实施例中，损伤演化方程的表达式为，
，
其中，Ω代表损伤因子，rm,ini，rm,max和M分别表示材料常数；当累计剪切应变rtol超过临界值rm,ini时，材料开始产生损伤，随着材料的变形累计累积，损伤逐渐增大，并在rm,max时达到最大值Ωmax，此后材料的损伤程度保持不变并保持最大值；材料参数M表示该损伤演化的速度，M越大表示对应材料的损伤速度也变快。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种晶圆混合键合真空互联设备，其特征在于，包括：
第一真空腔，其内设置若干第一腔室；
第二真空腔，其真空度高于第一真空腔且其内设置若干第二腔室；
缓冲腔，连通在第一真空腔与第二真空腔之间；
转运设备，设置在真空互联设备内并将晶圆及芯粒在各腔室之间进行转运；
其中，第一腔室及第二腔室内按照晶圆混合键合工艺各工序顺序依次安装有对应工序的设备仪器。
2.根据权利要求1所述的一种晶圆混合键合真空互联设备，其特征在于：若干第二腔室依次为CMP腔、ALD沉积腔、表面粗糙度与弯曲度检测腔、晶圆切割腔、等离子清洗腔、芯粒测试腔、表面活化腔、表面处理腔、翻转与预对准腔、对准与预键合腔及键合腔；
若干第一腔室依次为来料缓存腔、晶圆芯粒检测腔、晶圆清洗腔、键合质量检测腔及出料缓存腔，来料缓存腔、晶圆芯粒检测腔及晶圆清洗腔的工序顺序位于CMP腔之前，键合质量检测腔及出料缓存腔位于键合腔之后。
3.根据权利要求2所述的一种晶圆混合键合真空互联设备，其特征在于：转运设备包括，
传送带，设置在第一真空腔内；
机械臂，设置在第二真空腔内；
托盘，其上能够装载晶圆或者芯粒并被机械臂托起并在各第二腔室之间转移；
其中，若干第二腔室围绕机械臂设置；
缓冲腔位于CMP腔与键合腔之间；
来料缓存腔、晶圆芯粒检测腔及晶圆清洗腔位于传送带一侧并靠近CMP腔，键合质量检测腔及出料缓存腔位于传送带另一侧并靠近键合腔。
4.一种数字孪生系统，用于权利要求1至3任意一项所述的晶圆混合键合真空互联设备，其特征在于，包括：
系统环境监控模块，在各腔室内设置传感器并通过传感器对各腔室环境参数以及转运设备空间信息进行测量与反馈；
数字孪生体，基于晶圆混合键合真空互联设备的物理信息构建虚拟模型，将传感器监测数据作为设置参数以实时反映设备的真实状态；
可靠性仿真驱动模块，依据传感器监测参数以及实际环境建立连续性工艺仿真模型，通过仿真结果对工艺效果进行预测并调控，并依据调控后的环境参数再次更新仿真模型实现模型的数字驱动。
5.根据权利要求4所述的一种数字孪生系统，其特征在于：所述可靠性仿真驱动模块建立连续性仿真模型的方法包括以下步骤，
S1确定各关键工序的理论方程，并依据应用场景建立多物理场耦合，其中，
S11确定混合键合工艺流程中影响键合结果的关键工序；
S12依据S11确定的关键工序，确定各工序对应的机理，为建立多物理场耦合仿真提供理论基础；
S13根据S12确定的机理，建立多物理场耦合模型，对各工序仿真环境进行多物理场耦合描述；
S2依据S1提供的理论方程以及多物理场耦合，结合各关键工序中各设备仪器的空间信息，建立连续性工艺仿真模型，并根据实时状态下传感器监测的关键参数设置模型信息，其中，
S21依据实际工序设备仪器的物理信息建立各工序的仿真模型，并按照系统监测的关键参数设置模型信息；
S22建立各模型间仿真结果的连续性传递，提取前一工序仿真结果关键信息作为后一工序仿真模型的设置参数，完成连续性仿真；
S3根据S2仿真模型，获取各工序及其可靠性的参数反馈，通过仿真模型反映晶圆与系统在已知条件下的状态，指出可能发生损伤的部位，并提出相应参数的优化建议；
S4针对S3获得的参数反馈，输入到数字孪生体中，调整相应工艺参数，对工艺流程进行优化；
S5利用传感器提取优化后真空互联设备内各腔室中的关键参数，并反馈至S2中，实现实物对仿真的数据驱动。
6.根据权利要求5所述的一种数字孪生系统，其特征在于：步骤S3中获取反馈并提出优化建议的方法包括以下步骤，
S31通过将真空互联设备内的设置参数输入至仿真模型内获得仿真结果；
S32若仿真结果出现明显的材料失效时，系统将停止运行，并进一步验证模型结果以确定仿真正确性；
S33若仿真结果在预期范围外但没有失效时，则通过调整模型参数直至仿真结果达到预期，并依据参数调整结果提出优化建议；
S34若仿真结果在预期范围内，则继续工艺流程。
7.根据权利要求6所述的一种数字孪生系统，其特征在于：步骤S32至步骤S34中判断仿真结果是否失效的判断依据至少包括损伤因子及多物理场失效情况；
损伤因子根据晶圆键合表面在加工过程中的疲劳损伤机制获知，损伤因子采用累计剪切应变作为损伤状态变量，通过实时仿真结果中获取的相应参数对加工过程的损伤进行判断；
多物理场失效情况至少需要将应力、应变、温度湿度、材料去除率四种参数综合起来作为判断依据。
8.根据权利要求7所述的一种数字孪生系统，其特征在于：多物理场失效判断方法的具体公式为，
W(x)=ω1F(x)+ω2G(x)+ω3H(x)+ω4I(x)，
式中，W表示工艺过程中加工区域的损伤程度，F、G、H、I分别代表应力、应变、温度湿度、材料去除所造成的损伤程度，ω1、ω2、ω3、ω4分别表示对应损伤程度的占比，x表示工艺加工时间；
其中，应力至少包括机械应力、热应力、湿应力以及电应力，应变至少包括正应变、弹性切应变与非弹性切应变，因此F(x)、G(x)可以表示，
F(x)=ω11f1(x)+ω12f2(x)+ω13f3(x)+ω14f4(x)，
G(x)=ω21g1(x)+ω22g2(x)+ω23g3(x)，
式中，f1(x)、f2(x)、f3(x)、f4(x)分别表示机械应力、热应力、湿应力以及电应力大小，ω11、ω12、ω13、ω14分别表示对应应力的权重，g1(x)、g2(x)、g3(x)分别表示正应变、弹性切应变与非弹性切应变，ω21、ω22、ω23分别表示不同应变对应的权重；
其中，根据Peck加速模型可知温度湿度所造成的损伤与其计算模型呈反比，根据Luo-Dornfeld模型可知材料的损伤程度与去除率呈正相关，因此H(x)、I(x)可以表示为，
H(x)=1/LH，
I(x)=MRR，
式中，LH为与温湿度组合应力相关的寿命特征量，MRR为材料去除率；
其中，各组分的权重采用多元线性回归法与熵权法综合处理获得；
其中，采用多元线性回归法计算权重的计算步骤为，当自变量均为0时，损伤为0，因此多元线性回归模型的常数项以及常数回归参数均为0，W(x)即为总体回归方程，依据多元线性回归中最小二乘估计的假设，可以获得下式，
，
，
对上式求偏导可获得下式，
，
通过多组已知参数值以及损伤值的预实验可将权重计算获得并记为λωi；
其中，采用熵权法计算权重的计算步骤为，首先将数据标准化构建为标准化数据矩阵，标准化公式如下，
，
随后计算各参数的信息熵ei，其计算公式如下：
，
其中，∑F’(xi)=F’(xi)+G’(xi)+H’(xi)+I’(xi)，通过上式计算各参数的权重并记为μωi；
使用加法集成法对两组权重进行处理，并构建两种权重的距离函数D(λωi，μωi)，
，
计算两组权重的分布系数α与β，
D(λωi，μωi)2=(α-β)2，
α+β=1，
最终根据分布系数获得最终权重，
ωi=αλωi+βμωi。
9.根据权利要求8所述的一种数字孪生系统，其特征在于：多物理场失效判断依据为，
当W(x)>10%，判断材料失效：
当5%<W(x)<10%，判断材料准失效：
当W(x) <5%，判断材料正常。
10.根据权利要求8所述的一种数字孪生系统，其特征在于：损伤演化方程的表达式为，
，
其中，Ω代表损伤因子，rm,ini，rm,max和M分别表示材料常数；
当累计剪切应变rtol超过临界值rm,ini时，材料开始产生损伤，随着材料的变形累计累积，损伤逐渐增大，并在rm,max时达到最大值Ωmax，此后材料的损伤程度保持不变并保持最大值；
材料参数M表示该损伤演化的速度，M越大表示对应材料的损伤速度也变快。
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