CN117316851A - 晶圆翻转夹具、晶圆键合设备 - Google Patents

晶圆翻转夹具、晶圆键合设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及半导体材料加工技术领域，具体涉及一种晶圆翻转夹具及晶圆键合设备，包括：转动部；转动控制部，用于控制所述转动部转动；夹持部，设于所述转动部，用于夹持晶圆；所述夹持部夹持晶圆，通过所述转动部的转动翻转晶圆。晶圆翻转夹具及晶圆键合设备用于在真空环境下进行晶圆的柔性夹持、水平对中夹持、翻转及键合。

Description

晶圆翻转夹具、晶圆键合设备
技术领域
本发明涉及半导体材料加工技术领域，尤其涉及晶圆键合技术领域，具体涉及晶圆翻转夹具、晶圆键合设备。
背景技术
晶圆键合是指，将两片晶圆以指定的键合界面精准对位后，通过特定的条件，使两片晶圆贴合、结合成一个整体。在晶圆自动化键合过程中，至少包括晶圆夹取、夹取后键合界面识别、晶圆翻转、键合界面对位键合等几个步骤。高质量晶圆键合需在真空环境下进行，对晶圆的夹取力度、晶圆翻转前后位置精度、键合界面的相对平行度有很高的要求。
发明内容
本发明提供一种晶圆对中翻转夹具及真空键合设备，用以提升真空环境下晶圆键合过程中各步骤的精度。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
晶圆翻转夹具，包括：转动部；
转动控制部，用于控制所述转动部转动；
夹持部，设于所述转动部，用于夹持晶圆；
所述夹持部夹持晶圆，通过所述转动部的转动翻转晶圆。
优选的，所述转动控制部设于真空室外；
所述转动部设于真空室内。
优选的，所述转动部包括转动轴及穿设于所述转动轴上的第三安装板；
所述转动轴的一端通过转动轴安装板安装在第三安装板上；
所述转动轴的另一端穿过真空室壁，置于真空室外。
优选的，所述转动控制部包括转动驱动；
所述转动驱动安装于真空室壁外侧；
联轴器，两端分别与转动驱动和转动轴连接。
优选的，所述转动轴与所述真空室壁对位处设有磁流体传动装置，所述磁流体传动装置用于密封所述转动轴与所述真空室壁间的间隙。
优选的，所述第三安装板上设有滑道；
还包括，设于所述滑道，沿所述滑道滑动的主滑板、从动滑板；
所述主滑板、从动滑板通过连杆结构连接；
所述主滑板带动所述从动滑板做镜像滑动。
优选的，所述连杆结构为Z型连杆，包括：
穿设于转动轴上的对中连杆；
分别活动连接于所述对中连杆两端的第一连接板、第二连接板；
所述第一连接板、第二连接板的另一端分别与主滑板、从动滑板活动连接。
优选的，还包括主滑板驱动部，所述主滑板驱动部包括主拉板、从动拉板和弹拉件；
所述从动拉板安装于主滑板上；
所述主拉板与所述从动拉板以所述弹拉件连接。
优选的，所述弹拉件被配置为具有第一伸缩量和第二伸缩量；
所述第一伸缩量小于第二伸缩量。
优选的，所述主拉板被配置为能够推或拉动所述从动拉板，从而带动所述主滑板沿滑道滑动。
优选的，在所述主拉板拉动所述从动拉板的过程中，所述弹拉件会以第一伸缩量切换至第二伸缩量；
所述主拉板推动所述从动拉板的过程中，所述弹拉件会以第二伸缩量切换至第一伸缩量。
优选的，所述夹持部包括分别设于所述主滑板、从动滑板上的主夹臂、从动夹臂；
所述主夹臂、从动夹臂上分别设有卡槽及水平导向组件；
所述卡槽用于卡接晶圆；
所述水平导向组件用于在所述卡槽卡固晶圆前，保持晶圆水平。
优选的，所述水平导向组件被配置为具有触头及对称夹接所述触头的导向滚轮；
所述触头被配置为在所述导向滚轮间移动，使得对称夹接所述触头的导向滚轮相向或背离移动。
优选的，当所述晶圆被夹持时，晶圆最宽处最先接触所述触头，再接触所述导向滚轮，最后接触所述卡槽，以使夹臂水平的卡接所述晶圆。
晶圆键合设备，包括真空室；
所述真空室设有上述的晶圆翻转夹具。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
以机械传动为基础，实现真空环境下翻转晶圆，可精准作业，不受真空环境影响。以Z形连杆做为晶圆夹持的基础传动结构，实现晶圆夹持位置固定，免除后作业工序的位置识别。以具有伸缩量的弹拉件拉动夹臂，实现柔性夹持，避免晶圆侧边因夹持力大损坏。以水平导向组件为晶圆导向，使得夹臂夹持后的晶圆保持水平，即平衡夹持力，防止晶圆夹损，又便于后作业工序对晶圆的处理，不需要额外对晶圆的水平度进行调整。
附图说明
图1是本发明实施例晶圆翻转夹具结构示意图；
图2是本发明实施例晶圆翻转夹具真空室外转动控制部示意图；
图3是本发明实施例晶圆翻转夹具真空室内转动控制部示意图；
图4是本发明实施例晶圆翻转夹具转动部正面示意图；
图5是本发明实施例晶圆翻转夹具转动部背面示意图；
图6是本发明实施例晶圆翻转夹具主滑板驱动部示意图；
图7是本发明实施例晶圆翻转夹具夹持部示意图；
图8是本发明实施例晶圆翻转夹具水平导向组件立体结构示意图；
图9是本发明实施例晶圆翻转夹具水平导向组件平面结构示意图；
其中：1、真空室；11、真空室壁；2、转动控制部；21、转动驱动；22、第一安装板；23、第二安装板；24、联轴器；25、磁流体传动装置；26、连接杆；27、转动轴轴承座；28、转动轴；3、转动部；31、第三安装板；32、上滑道；33、下滑道；34、主滑板；35、从动滑板；36、对中连杆；37、第一连接板；38、第二连接板；39、转动轴安装板；4、主滑板驱动部；41、主拉板；42、从动拉板；43、弹拉件；44、限位销；5、夹持部；51、主夹臂；52、从动夹臂；53、水平导向组件；531、楔形杆；532、第一滚轮；533、连接臂；534、销轴；535、第二滚轮；536、触头；537、触杆；538、弹性件；54、晶圆；61、电机；62、电机驱动轴轴承座；63、滚珠丝杠；64、限位板；65、限位调节组件；66、传感器组。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“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。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“右”、等方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，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。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
参见图1-9，本实施例提供一种晶圆翻转夹具，用于在真空环境中实现晶圆54的正反面翻转。翻转前后，晶圆54的水平、竖直位置不变。
本实施例所述翻转包括对晶圆54的正反面进行翻转，即转动机构以180°的转角进行转动，但本发明的转动机构并不仅限于进行180°的转动。
具体的，晶圆翻转夹具包括转动部3及用于驱动转动部3转动的转动控制部2。转动部3的主体结构位于真空室1内，转动控制部2的主体结构位于真空室1外。
所述转动部3包括转动轴28及穿设于所述转动轴28上的第三安装板31。其中，第三安装板31上设有用于固定所述转动轴28的转动轴安装板39。转动轴28的一端安装在转动轴安装板39上。转动轴28转动时，带动转动轴安装板39转动，从而带动第三安装板31转动。
转动轴28的另一端穿过真空室壁11，部分置于真空室1外侧，与真空室1外侧的转动控制部2相连。
转动控制部2包括转动驱动21，所述转动驱动21包括常用的能够输出扭矩的机构，例如电机、气缸等。转动轴28通过联轴器24连接在转动驱动21的扭矩输出端。在转动驱动21的驱动下，转动轴28带动第三安装板31转动。
作为一种优选的实施方式，在所述转动轴28穿设的真空室壁11的内外两侧，分别设有与所述真空室壁11连接的第一安装板22、第二安装板23。所述第一安装板22、第二安装板23分别通过连接杆26安装在真空室壁11上。第一安装板22、第二安装板23用于支撑转动控制部及转动部。第一安装板22可用于安装转动驱动21、联轴器24。第二安装板23可以安装转动轴轴承座27。所述转动轴28与所述真空室壁11对位处设有磁流体传动装置25，所述磁流体传动装置25用于密封所述转动轴28与所述真空室壁11间的间隙，以保证真空室1内的真空条件。
进一步的，第三安装板31上设有滑道。作为一种优选的实施方式，所述滑道为两条，包括设于第三安装板31上侧的上滑道32，设于第三安装板31下侧的下滑道33。还包括，两端分别连接于上滑道32、下滑道33的主滑板34、从动滑板35。主滑板34、从动滑板35通过连杆结构连接，主滑板34带动从动滑板35做镜像滑动。
作为一种优选的实施方式，连杆结构由对中连杆36、第一连接板37、第二连接板38构成的Z型连杆。
对中连杆36穿设在转动轴28上，位于第三安装板31与转动轴安装板39之间，由转动轴安装板39限位，防止脱离转动轴28。第一连接板37、第二连接板38的另一端分别与主滑板34、从动滑板35活动连接。
主滑板34由主滑板驱动部4驱动移动，所述驱动包括推或拉。主滑板驱动部4包括主拉板41、从动拉板42和弹拉件43。主拉板41与从动拉板42以弹拉件43连接。其中，从动拉板42安装于主滑板34上，主拉板41拉动弹拉件43从而拉动主滑板34滑动；或主拉板41推动从动拉板42推动主滑板34滑动。
弹拉件43包括弹簧，弹簧的两端分别连接在主拉板41、从动拉板42之间。主拉板41、从动拉板42上还可以设置用于调节弹簧伸缩量的调节组件。
主拉板41、从动拉板42之间设有位置保持结构，用以保持二者的相对位置。位置保持结构可以采用限位销44，例如将限位销44安装在主拉板41上，并在从动拉板42上设置对应的销孔，以此配合，保持二者的相对位置。
作为一种优选的实施方式，弹拉件43被配置为具有第一伸缩量和第二伸缩量，第一伸缩量小于第二伸缩量。在主拉板41拉动从动拉板42的过程中，弹拉件43会以第一伸缩量切换至第二伸缩量；主拉板41推动从动拉板42的过程中，弹拉件43会以第二伸缩量切换至第一伸缩量。作为一种可行的实施方式，弹拉件43被配置为电磁弹簧组，具体的，电磁弹簧组包括电磁铁、弹簧，以电信号控制电磁铁磁性，以实现弹拉件43伸缩量的切换。
主拉板41由电机61驱动移动。具体的，主拉板41连接在由电机驱动的滚珠丝杠63上，通过滚珠丝杠63的正反转，驱动主拉板41正反方向移动。
作为优选的实施方式，第三安装板31上设有限位板64，限位板64用于限定主滑板34、从动滑板35的最大移动距离。还设有限位调节组件65、用于微调限位板64的位置。
进一步的，用于夹持晶圆的夹持部5包括分别设于主滑板34、从动滑板35上的主夹臂51、从动夹臂52；主夹臂51、从动夹臂52上分别设有卡槽及水平导向组件53，水平导向组件53用于在卡槽卡固晶圆54前，保持晶圆54水平。
水平导向组件53包括依次连接的触头536、触杆537、弹性件538、楔形杆531组成的伸缩部。由第一滚轮532、连接臂533、销轴534、第二滚轮535组成的夹接部。其中夹接部以伸缩部为中心，对称设置在夹臂上下两侧。触头536被配置为在位于夹臂上下的第二滚轮535间移动，使得对称夹接所述触头536的第二滚轮535相向或背离移动。当晶圆54被夹持时，晶圆54最宽处最先接触触头536，再接触第二滚轮535，最后接触卡槽，在第二滚轮535导向下，晶圆54位置水平，以使夹臂水平的卡接晶圆54。
进一步的，还包括传感器组66，所述传感器组66用于监测主拉板41的移动状态。所述传感器组66还包括设于伸缩部的压力传感器。
作为其中一种实施方式，压力传感器设于所述触头536上，当触头536接触晶圆54产生压力时，发出用于控制弹拉件43伸缩量的信号。具体的，控制电磁铁的磁性以控制弹拉件43的伸缩量，例如主拉板41拉动主滑板34滑动的初期，需要较大的拉力，此时电磁铁为开启状态，弹拉件43的伸缩量为第一伸缩量，第一伸缩量可以为0。当触头536接触晶圆54产生压力时，传感器发出信号，关闭电磁铁，此时弹拉件43的伸缩量切换为第二伸缩量，弹拉件43在主拉板41的拉力下拉伸，以将拉力及时卸载，避免以一个较大的力夹持晶圆导致晶圆边缘损坏。
本实施例还提供一种晶圆键合设备，所述晶圆键合设备包括真空室1，及上述晶圆翻转夹具，用于在真空环境下进行晶圆的柔性夹持、水平对中夹持、翻转及键合。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (15)

1.晶圆翻转夹具，其特征在于，包括：转动部；
转动控制部，用于控制所述转动部转动；
夹持部，设于所述转动部，用于夹持晶圆；
所述夹持部夹持晶圆，通过所述转动部的转动翻转晶圆。
2.根据权利要求1所述的晶圆翻转夹具，其特征在于：所述转动控制部设于真空室外；
所述转动部设于真空室内。
3.根据权利要求1所述的晶圆翻转夹具，其特征在于：所述转动部包括转动轴及穿设于所述转动轴上的第三安装板；
所述转动轴的一端通过转动轴安装板安装在第三安装板上；
所述转动轴的另一端穿过真空室壁，置于真空室外。
4.根据权利要求1所述的晶圆翻转夹具，其特征在于：所述转动控制部包括转动驱动；
所述转动驱动安装于真空室壁外侧；
联轴器，两端分别与转动驱动和转动轴连接。
5.根据权利要求3所述的晶圆翻转夹具，其特征在于：所述转动轴与所述真空室壁对位处设有磁流体传动装置，所述磁流体传动装置用于密封所述转动轴与所述真空室壁间的间隙。
6.根据权利要求3所述的晶圆翻转夹具，其特征在于：所述第三安装板上设有滑道；
还包括，设于所述滑道，沿所述滑道滑动的主滑板、从动滑板；
所述主滑板、从动滑板通过连杆结构连接；
所述主滑板带动所述从动滑板做镜像滑动。
7.根据权利要求6所述的晶圆翻转夹具，其特征在于：所述连杆结构为Z型连杆，包括：
穿设于转动轴上的对中连杆；
分别活动连接于所述对中连杆两端的第一连接板、第二连接板；
所述第一连接板、第二连接板的另一端分别与主滑板、从动滑板活动连接。
8.根据权利要求7所述的晶圆翻转夹具，其特征在于：还包括主滑板驱动部，所述主滑板驱动部包括主拉板、从动拉板和弹拉件；
所述从动拉板安装于主滑板上；
所述主拉板与所述从动拉板以所述弹拉件连接。
9.根据权利要求8所述的晶圆翻转夹具，其特征在于：所述弹拉件被配置为具有第一伸缩量和第二伸缩量；
所述第一伸缩量小于第二伸缩量。
10.根据权利要求8所述的晶圆翻转夹具，其特征在于：所述主拉板被配置为能够推或拉动所述从动拉板，从而带动所述主滑板沿滑道滑动。
11.根据权利要求10所述的晶圆翻转夹具，其特征在于：在所述主拉板拉动所述从动拉板的过程中，所述弹拉件会以第一伸缩量切换至第二伸缩量；
所述主拉板推动所述从动拉板的过程中，所述弹拉件会以第二伸缩量切换至第一伸缩量。
12.根据权利要求11所述的晶圆翻转夹具，其特征在于：所述夹持部包括分别设于所述主滑板、从动滑板上的主夹臂、从动夹臂；
所述主夹臂、从动夹臂上分别设有卡槽及水平导向组件；
所述卡槽用于卡接晶圆；
所述水平导向组件用于在所述卡槽卡固晶圆前，保持晶圆水平。
13.根据权利要求12所述的晶圆翻转夹具，其特征在于：所述水平导向组件被配置为具有触头及对称夹接所述触头的导向滚轮；
所述触头被配置为在所述导向滚轮间移动，使得对称夹接所述触头的导向滚轮相向或背离移动。
14.根据权利要求13所述的晶圆翻转夹具，其特征在于：当所述晶圆被夹持时，晶圆最宽处最先接触所述触头，再接触所述导向滚轮，最后接触所述卡槽，以使夹臂水平的卡接所述晶圆。
15.晶圆键合设备，其特征在于：包括真空室；
所述真空室设有权利要求1-14任一所述的晶圆翻转夹具。
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