CN117497433B - 一种晶圆键合对准系统及晶圆键合设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种晶圆键合对准系统及晶圆键合设备，晶圆键合对准系统包括：热盘，沿垂直于热盘的方向作升降的限位机构，对称配置于热盘两侧的辅助对准机构；限位机构包括至少两个并共同形成圆形限位区域以夹持第一晶圆的支撑组件；辅助对准机构包括第一支撑悬臂，第二支撑悬臂及第一驱动机构，第一支撑悬臂与第二支撑悬臂远离第一驱动机构的末端形成渐缩端，渐缩端面向第二晶圆的一侧形成曲面，第一支撑悬臂与第二支撑悬臂同步张开过程中通过曲面引导第二晶圆向第一晶圆靠近并相互贴合。本申请实现了第一晶圆与第二晶圆执行对准过程中彼此圆心保持严格的同心圆布置，避免了在第一晶圆与第二晶圆在贴合后形成气泡及空洞。
Description
技术领域
本发明涉及半导体设备技术领域，尤其涉及一种晶圆键合对准系统及晶圆键合设备。
背景技术
晶圆键合是晶圆级封装技术，用于制造微机电系统（MEMS）、纳米机电系统（NEMS）、微电子学和光电子学，从而确保机械稳定且密封的封装。通常的，晶圆键合是指将晶圆与载片对对准之后再进行键合，因此在晶圆键合工艺中将晶圆与载片执行可靠对准是晶圆键合制程的前置性关键步骤。相同尺寸的晶圆与载片在键合设备的工艺腔体在对准过程中通常采用多个内侧具弧形限位部的顶针托持载片的下边缘处，然后通过真空吸附机械手将晶圆传送至载片上方并在校准后将晶圆放置在载片表面。
随着晶圆与载片尺寸的不断增大，使得载片在下落并贴合晶圆过程中会在晶圆与载片之间残留空气，即使将工艺腔体形成真空状态后，也会在晶圆与载片之间形成空洞，且由于晶圆与载片不可避免的存在一定的曲翘度，一旦晶圆与载片贴合后，在范德华力的作用下，晶圆与载片之间可能存在气泡。一旦气泡被锁定在晶圆与载片之间，即使后期将工艺腔体抽至真空状态，这些气泡依然无法从晶圆与载片之间逸出并在晶圆与载片之间形成空洞，并极大地影响到最终键合后晶圆的电学性能及机械性能。
公开号为CN115338804A的发明专利文献公开一种可调式晶圆用夹具装置，并通过形成第一台阶及第二台阶的第一夹具，转动部在第一状态与第二状态之间切换，以实现对第一台阶与第二台阶上所分别防止的目标物进行对接。然而，由于第一夹具与目标物径向方向之间的存在设计公差与装配公差等不可避免的因素，会导致被第一台阶与第二台阶所分别搁置的两个目标物之间键合过程中不可避免的会出现两个目标物出现彼此圆心不重合的缺陷。
有鉴于此，有必要对现有技术中的晶圆键合对准系统予以改进，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于揭示一种晶圆键合对准系统及晶圆键合设备，用以解决现有技术中对晶圆与载片执行对准过程中所存在的前述技术缺陷，并尤其旨在实现在第一晶圆与第二晶圆执行对准过程中彼此圆心保持严格的同心圆布置，降低第一晶圆与第二晶圆贴合过程中所产生的冲击并有效地避免在第一晶圆与第二晶圆之间形成气泡及空洞。
为实现上述目的之一，本发明提供了一种晶圆键合对准系统，包括：
热盘，沿垂直于所述热盘的方向作升降的限位机构，对称配置于所述热盘两侧的辅助对准机构；
所述限位机构包括至少两个并共同形成圆形限位区域以夹持第一晶圆的支撑组件；
所述辅助对准机构包括第一支撑悬臂，第二支撑悬臂，驱动第一支撑悬臂与第二支撑悬臂作同步转动的第一驱动机构，所述第一支撑悬臂与第二支撑悬臂远离第一驱动机构的末端形成渐缩端，所述渐缩端面向第二晶圆的一侧形成曲面，所述第一支撑悬臂与第二支撑悬臂同步张开过程中通过所述曲面引导第二晶圆向第一晶圆靠近并相互贴合。
作为本发明的进一步改进，所述支撑组件被配置为至少两个并共同形成圆形限位区域以夹持第一晶圆的支撑柱。
作为本发明的进一步改进，所述支撑组件被配置为形成圆弧台阶的承托件，并由至少两个承托件的圆弧台阶共同形成圆形限位区域以夹持第一晶圆。
作为本发明的进一步改进，所述第一支撑悬臂与第二支撑悬臂的渐缩端面向第二晶圆的一侧形成向内倾斜的曲面，所述第一支撑悬臂与第二支撑悬臂同步张开过程中通过所述向内倾斜的曲面引导第二晶圆向第一晶圆靠近并相互贴合。
作为本发明的进一步改进，所述限位机构包括：四个夹持晶圆且垂直布置的支撑柱，连接支撑柱的托板，及驱动所述托板沿垂直方向作升降运动的第二驱动机构；
所述支撑柱的顶端形成托持第一晶圆的台阶，及夹持第一晶圆与第二晶圆边缘的弧状侧壁；
所述四个支撑柱顶端所形成的弧状侧壁形成所述圆形限位区域，支撑柱连续贯穿热盘与位于热盘下方的支撑板。
作为本发明的进一步改进，所述第一支撑悬臂与第二支撑悬臂在第一驱动机构驱动下同步转动，执行同步闭合及张开以分别形成第一状态与第二状态，在第一状态与第二状态中第一支撑悬臂与第二支撑悬臂均保持沿垂直方向的高度恒定。
作为本发明的进一步改进，第一晶圆在所述第一支撑悬臂与第二支撑悬臂呈第一状态时，所述第一晶圆与第二晶圆沿垂直方向形成预设间隔距离，所述预设间隔距离小于或者等于所述渐缩端沿垂直方向的厚度。作为本发明的进一步改进，所述晶圆键合对准系统位于形成真空环境的键合腔体中，所述支撑柱在第二驱动机构的驱动下托持第一晶圆下降并贴合所述热盘，以对所述第一晶圆进行预热，并将预热后的第一晶圆上升至形成所述预设间隔距离的高度。
作为本发明的进一步改进，所述第一晶圆为半导体晶圆，所述第二晶圆为载片；或者，
所述第一晶圆为载片，所述第二晶圆为半导体晶圆；或者，
第一晶圆与第二晶圆均为半导体晶圆。
作为本发明的进一步改进，
所述第一驱动机构包括：
第一动力单元，固定座，被第一动力单元驱动并沿垂直方向作升降动作的动块，连接所述动块的驱动轴，分别驱动所述第一支撑悬臂与第二支撑悬臂转动的第一旋转轴与第二旋转轴，及同步块；
所述第一旋转轴与第二旋转轴侧壁对称形成螺旋形导引槽，所述同步块对称形成延伸入所述螺旋形导引槽的导引端，所述第一旋转轴与第二旋转轴在转动中保持平行。
作为本发明的进一步改进，所述同步块形成与驱动轴轴向对接的被动轴，所述驱动轴与被动轴之间轴向套设连接筒；
所述第一驱动机构还包括保持第一旋转轴与第二旋转轴在转动过程中沿垂直方向的高度恒定的保持支架；
所述保持支架包括：抵持板，垂直于所述抵持板并平行设置的两个立板，两个立板的对向内侧形成供第一旋转轴与第二旋转轴垂直贯穿的定位块，第一旋转轴远离所述第一支撑悬臂的第一底端及第二旋转轴远离所述第二支撑悬臂的第二底端部分延伸入所述抵持板，所述第一底端及第二底端与抵持板之间套设轴承。
基于相同发明思想，本发明还揭示了一种晶圆键合设备，包括：
底座，与所述底座共同围合形成键合腔体的罩体，所述键合腔体容置如前述任一项发明创造所述的晶圆键合对准系统。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
在本申请中，通过第一支撑悬臂与第二支撑悬臂远离第一驱动机构的末端形成渐缩端面向第二晶圆的一侧形成曲面，以在第一支撑悬臂与第二支撑悬臂同步张开过程中通过曲面引导第二晶圆向第一晶圆靠近并相互贴合，从而使得第一晶圆与第二晶圆执行对准过程中，彼此圆心保持严格的同心圆布置，降低了第一晶圆与第二晶圆贴合过程中所产生的冲击并有效地避免在第一晶圆与第二晶圆之间形成气泡及空洞，同时还降低了第一支撑悬臂与第二支撑悬臂对第一晶圆或者第二晶圆表面的摩擦，有效地降低了划伤的发生。
附图说明
图1为本发明一种晶圆键合对准系统未加载第一晶圆与第二晶圆状态时的整体立体图；
图2为第一支撑悬臂与第二支撑悬臂呈张开状态的俯视图；
图3为支撑柱加载并承托第一晶圆状态时的侧视图；
图4为第一驱动机构的立体图；
图5为第一支撑悬臂与第二支撑悬臂隔离第一晶圆与第二晶圆的立体图；
图6为图5中第一支撑悬臂与第二支撑悬臂隔离第一晶圆与第二晶圆的局部放大图；
图7为在一种变形例中，由图5中第一支撑悬臂与第二支撑悬臂隔离第一晶圆与第二晶圆并沿水平方向所形成的局部侧视图；
图8为第一支撑悬臂与第二支撑悬臂开始转动并同步张开以逐渐脱离第二晶圆底部的示意图；
图9为第一支撑悬臂与第二支撑悬臂彻底张开并复位后第一晶圆与第二晶圆贴合的立体图；
图10为支撑柱的立体图；
图11为第一支撑悬臂与第二支撑悬臂隔离第一晶圆与第二晶圆且省略底座的立体图；
图12为图9为第一支撑悬臂与第二支撑悬臂在一种变形例中彻底张开并复位后第一晶圆与第二晶圆相互贴合的立体图；
图13为辅助对准机构的局部立体图；
图14为驱动支撑柱沿垂直方向作升降的第二驱动机构的立体图；
图15为本发明一种晶圆键合对准系统在又一种变形例中所包含的支撑组件被配置为形成圆弧台阶的承托件的示意图。
具体实施方式
下面结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细说明，但应当说明的是，这些实施方式并非对本发明的限制，本领域普通技术人员根据这些实施方式所作的功能、方法、或者结构上的等效变换或替代，均属于本发明的保护范围之内。
需要理解的是，在本申请中，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”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技术方案和简化描述，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技术方案的限制。
参图1与图2所示，一种晶圆键合对准系统，用于对第一晶圆50与第二晶圆60执行对准，并应用于晶圆键合设备。晶圆键合技术是指通过化学和物理作用将两块已镜面抛光的同质晶片或异质晶片（即，第一晶圆50与第二晶圆60）紧密地结合起来。晶片接合后，晶片界面的原子受到外力的作用而产生反应形成共价键结合成一体，并使接合界面达到特定的键合强度，以满足MEMS或者NEMS等微电子器件的封装要求。
具体地，晶圆键合对准系统包括：热盘20，沿垂直于热盘20的方向作升降的限位机构30，对称配置于热盘20两侧的辅助对准机构40。限位机构30包括至少两个并共同形成圆形限位区域200以夹持第一晶圆50的支撑组件3（例如，图2中的支撑柱33、支撑柱34、支撑柱35及支撑柱35）。辅助对准机构40包括第一支撑悬臂42，第二支撑悬臂43，驱动第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43作同步转动的第一驱动机构41，第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43远离第一驱动机构41的末端形成渐缩端，渐缩端面向第二晶圆60的一侧形成曲面431，且曲面431面向第二晶圆60的表面601予以设置。第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43同步张开过程中通过曲面431引导第二晶圆60向第一晶圆50靠近并相互贴合。
示例性地，第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43同步张开过程参图2虚线箭头b所示，第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43同步闭合过程参图2虚线箭头a所示。结合图2与图6所示，对准后且在第二晶圆60下落过程中，第一晶圆50的边缘502与第二晶圆60的边缘602在俯视角度下中始终重合。位于热盘20两侧且对称设置的辅助对准机构40所分别包含的第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43在闭合状态时可形成一条直线。
可选地，第一晶圆50为半导体晶圆，例如，硅基晶圆、氮化镓晶圆等；第二晶圆60为载片，例如，玻璃、蓝宝石、碳化硅等。第二晶圆60作为衬底以为第一晶圆50提供支撑。示例性地，第一晶圆50可通过光刻（Photolithography）、刻蚀（Etch）、扩散（Diffusion）、沉积（通过CVD或PVD实现）、清洗（Clean）等半导体工艺制程形成微电子器件。因此，在本实施例中，优先为第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43与第二晶圆60的表面601接触，并确保第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43的渐缩端无法与第一晶圆50的表面501（例如，铜层）接触，以进一步避免了第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43在张开或者闭合过程中对第一晶圆50的表面501造成划伤等不良制程。同时，第一晶圆50与第二晶圆60还可为同质晶片，即，第一晶圆50与第二晶圆60均为半导体晶圆；进一步地，第一晶圆50与第二晶圆60均可为标准厚度的硅基晶圆，或者均可为减薄后的硅基晶圆，或者第一晶圆50为减薄后的硅基晶圆而第二晶圆60为标准厚度的硅基晶圆等具体实例。
参图1与图14所示，在本实施例中，限位机构30包括：四个夹持晶圆且垂直布置的支撑组件3（即，支撑柱33~支撑柱36），连接支撑组件3的托板319，及驱动托板319沿垂直方向作升降运动的第二驱动机构31。支撑组件3夹持第一晶圆50与第二晶圆60。第二驱动机构31整体的驱动托板319及支撑柱33~支撑柱36沿图14中双向箭头d所在的垂直方向作升降运动。示例性地，支撑柱33包括与托板319固定连接的柱体331，与柱体331活动连接的端头332，端头332面向圆心O的内侧形成弧状侧壁333，弧状侧壁333的下方可形成水平状并托持第一晶圆50的台阶334。
参图10及图14所示，支撑组件3的顶端形成托持第一晶圆50的台阶334，及夹持第一晶圆50与第二晶圆60边缘的弧状侧壁333，且弧状侧壁333如图2对应的垂直视角下呈圆弧形，且其对应的圆心为如图12所示出的圆形限位区域200的圆心O，由此可仅通过两个具弧状侧壁333的支撑组件3对第一晶圆50与第二晶圆60进行对准。另，结合图10与图4所示，在本实施例中，支撑柱33~支撑柱36的顶部所分别形成的台阶334位于同一水平面，且支撑柱33~支撑柱36分别具有的柱体331长度相等。
同时，参图14所示，第二驱动机构31包括第二驱动单元311（例如，气缸或者直线电机等），固定座312，滑动座313，固定座312与滑动座313之间设置轨道及沿轨道形成直线运动的滑块（未示出）。鉴于固定座312与滑动座313之间被配置的滑动连接技术为成熟的现有技术，故在本实施例中未予以详述。
同时，固定座312的顶部形成折弯部3121，折弯部3121通过螺钉安装至支撑板11的底部。滑动座313的顶部设置水平布置的安装板314。安装板314设置垂直布置的柱体316，托板319的底部形成柱体317，柱体317延伸过托板319并通过螺钉3171予以固定。柱体316与柱体317之间轴向套设连接筒3173。当第二驱动机构31沿垂直方向运动时，驱动该滑动座313相对于固定座312执行升降运动，并最终驱动托板319沿垂直方向作升降运动，以同步带动四个支撑柱沿竖直方向（即，图14中双向箭头d所在方向）作升降运动。
参照图12所示，四个支撑组件3顶端所形成的弧状侧壁333形成圆形限位区域200，支撑组件3连续贯穿热盘20与位于热盘20下方的支撑板11。参图5与图11所示，具体地的，热盘20整体形成四个供支撑组件3贯穿的通孔21，支撑板11也形成与通孔21同轴开设的四个通孔（未示出），从而将支撑柱33~支撑柱36分别沿支撑板11的通孔与通孔21自热盘20的上表面穿出，并支撑第一晶圆50并对放置在上方的第二晶圆60予以对准。通孔21足以容置端头332。
第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43在第一驱动机构41驱动下同步转动，执行同步闭合及同步张开，以分别形成第一状态与第二状态，在第一状态与第二状态中第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43均保持沿垂直方向的高度恒定，从而使得第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43在转动过程中避免被两组第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43所承托的第二晶圆60与第一晶圆50的相对位置发生移动，确保已经被对准的第一晶圆50与第二晶圆60的圆心始终重合。由于第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43以执行同步张开的转动过程中彼此所形成的曲面431（或者向内倾斜的曲面431a）对第二晶圆60的表面601所施加的摩擦力是对称的。
结合图8所示，当第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43以执行同步张开的过程中，第一支撑悬臂42形成箭头F1的摩擦力，第二支撑悬臂43形成箭头F2的摩擦力，且箭头F1与箭头F2的摩擦力相对于第二晶圆60呈对称结构，两组箭头F1与箭头F2的摩擦力使得对称配置于热盘20两侧的辅助对准机构所分别包含的第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43以执行同步张开过程中对第二晶圆60形成稳定且平衡的作用力，从而有效地避免了第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43以执行同步张开的转动过程中对第二晶圆60所造成的移位，确保第一晶圆50与第二晶圆60彼此的圆心始终重合。
同时，结合图5所示，在本实施例中，位于热盘20一侧的第一支撑悬臂42与位于热盘20另一侧的第二支撑悬臂43分别与第二晶圆60所形成的接触点间的连线T1过圆心O，位于热盘20一侧的第二支撑悬臂43与位于热盘20另一侧的第一支撑悬臂42分别与第二晶圆60所形成的接触点间的连线T2也过圆心O。
尤其地，本实施例中的第一状态与第二状态是相对概念，例如，可将第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43同步闭合时形成第一状态，而将第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43同步张开时形成第二状态；可选地，还可将第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43同步张开时视为第一状态，而将第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43同步闭合时形成第二状态。
具体而言，参图1至图3、图5至图8所示，下述示出了对第一晶圆50与第二晶圆60执行对准作业予以详细说明。
如图1与图2所示，首先，第二驱动机构31同步驱动支撑柱33~支撑柱36上升至预设高度的位置，此时位于热盘20两侧的辅助对准机构所包含的第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43呈图2所对应的张开状态。晶圆传送手臂（未示出）将第一晶圆50放置在支撑柱33~支撑柱36顶端所分别形成的端头332指向圆心O的内侧所形成的弧状侧壁333所围合形成的圆形限位区域200中。第一驱动机构41同步驱动第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43沿图2中虚线箭头a的方向转动并形成图1中的闭合状态。然后，继续通过晶圆传送手臂（未示出）将第二晶圆60传送至第一晶圆50上方，并确保第二晶圆60的边缘与弧状侧壁333相互贴合，以实现第一晶圆50与第二晶圆60在俯视角度下呈同心圆形态分布。进一步地，结合图7所示，还可将弧状侧壁333沿垂直方向上所形成的高度大于或者等于包含第一晶圆50的厚度、预设间隔距离d1及第二晶圆60的厚度之和，即，端头332的顶部高于第二晶圆60的上表面，从而利用四个弧状侧壁333对第二晶圆60在后续的下落贴合过程中被予以引导。此时形成如图5所对应的状态。然后，第一驱动机构41同步驱动第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43沿图2中虚线箭头b的方向转动并形成图2中的张开状态。然后，第二驱动机构31同步驱动支撑柱33~支撑柱36下降并使得第一晶圆50与热盘20贴合后，通过热盘20对第一晶圆50进行预热。此时，启动真空设备（未示出），抽取键合腔体100内的空气以将键合腔体100形成真空状态。第一晶圆50预热完成后，重新通过第二驱动机构31同步驱动支撑柱33~支撑柱36上升，并使得第一晶圆50重新回归至形成预设间隔距离d1的高度。最后，启动第一驱动机构41以同步驱动第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43逐渐同步张开。在第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43逐渐张开的过程中，第二晶圆60的表面601在曲面431（或者曲面431a）的导引下，沿图8中箭头c的方向缓慢地并保持水平姿态向第一晶圆50予以移动，并最终形成如图9所示出的第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43彻底张开并复位后第二晶圆60与第一晶圆50完全贴合的终了状态。同时，在第一晶圆50与第二晶圆60对准后，需要再次启动第二驱动机构31，整体地托持贴合后第一晶圆50与第二晶圆60下降并落在热盘20表面。
需要说明的是，前述实施例中支撑组件3的顶端夹持第一晶圆50与第二晶圆60边缘的弧状侧壁333还可被合理地理解为平面侧壁（未示出）。当支撑组件3的顶端形成平面侧壁时，限位机构包括三个或者三个以上并共同形成圆形限位区域以夹持第一晶圆50的支撑组件3。当支撑组件3的顶端形成夹持第一晶圆50的边缘502与第二晶圆60的边缘602的弧状侧壁333时，支撑组件3可被配置为两个，且两个支撑组件3之间的连线与圆形限位区域200的圆心O重合，以通过两个弧状侧壁333对第一晶圆50与第二晶圆60执行对准。圆形限位区域200的圆心与第一晶圆50的圆心及第二晶圆60的圆心沿俯视角度下均相互重合。
如图6所示，作为一种可选实施例，曲面431为沿第一支撑悬臂42或者第二支撑悬臂43的厚度方向延伸形成，第一支撑悬臂42或者第二支撑悬臂43的渐缩端形成扁平状构件，在两组第一支撑悬臂42或者第二支撑悬臂43托持第二晶圆60过程中尽量缩短第一晶圆50与第二晶圆60沿垂直方向形成的预设间隔距离d1，从而在第一支撑悬臂42或者第二支撑悬臂43同步张开的过程中，降低了第二晶圆60向第一晶圆50的垂直下落距离，下落距离的缩短有利于降低第二晶圆60沿图8中箭头c方向下落至第一晶圆50表面的降落速度，从而阻止因第二晶圆60过快下落时由于第二晶圆60表面张力所可能携带的气体分子进入到第一晶圆50与第二晶圆60的键合面中，并有利于第一晶圆50与第二晶圆60接触的键合面形成范德华键，从而在第一晶圆50与第二晶圆60之间形成无缺陷的结合晶面，并能够进一步减少了第二晶圆60对第一晶圆50下落并贴合过程中所产生的冲击，并有效地避免在第一晶圆50与第二晶圆60之间形成气泡。因此，第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43执行同步张开过程中，曲面431与第二晶圆60的表面601形成线接触，防止了第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43在同步张开过程中由曲面431对第二晶圆60的表面601产生摩擦并造成划伤。
如图7所示，作为一种更优选的实施方式，第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43的渐缩端面向第二晶圆60的一侧形成向内倾斜的曲面431a，第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43同步张开过程中通过向内倾斜的曲面431a引导第二晶圆60向第一晶圆50靠近并相互贴合。在图7中，向内倾斜的曲面431a的曲面范围截止于边界432，第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43的对向内侧分别形成水平对称布置的曲面431a。因此，在第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43执行同步张开过程中，第二晶圆60的边缘及表面601始终与曲面431a形成点接触，从而进一步降低了第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43在同步张开过程中由曲面431a对第二晶圆60的边缘602及表面601所造成的阻力与摩擦，从而进一步防止了渐缩端对位于下方的第一晶圆50的表面501产生摩擦并造成划伤。
结合图6及图7所示，第一晶圆50在第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43呈第一状态时，第一晶圆50与第二晶圆60沿垂直方向形成预设间隔距离d1，预设间隔距离d1小于或者等于渐缩端沿垂直方向的厚度，进一步优选为预设间隔距离d1小于渐缩端沿垂直方向的厚度，从而使得第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43沿箭头a方向转动以闭合或者沿箭头b方向转动以张开的过程中，防止渐缩端对位于下方的第一晶圆50的表面501产生摩擦并造成划伤。第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43托持第二晶圆60时，渐缩端的尖端430水平延伸入间隙1。
结合图6及图12所示，位于第一状态时，第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43部分插入第二晶圆60与第一晶圆50在贴合前所形成的间隙1；位于第二状态时，第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43至少被同步转动至圆形限位区域200的外部。第一支撑悬臂42沿图1中轴401的方向执行水平转动，第二支撑悬臂43沿图1中轴402的方向执行水平转动。因此，在第二状态中，位于热盘20一侧的第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43在同步转动至张开状态时，并不要求第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43呈一条直线，只要与第二晶圆60的表面601相互脱离即可，此时第二晶圆60即可沿箭头c方向下落至第一晶圆50上并与其最终完成对准与贴合。因此，通过第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43至少被同步转动至圆形限位区域200的外部，可进一步降低第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43旋转所消耗的工艺时间，间接地提高了晶圆键合设备的生产效率。
晶圆键合对准系统位于形成真空环境的键合腔体100中，支撑组件3在第二驱动机构31的驱动下托持第一晶圆50下降并贴合热盘20，以对第一晶圆50进行预热，并将预热后的第一晶圆50上升至形成预设间隔距离d1的高度。
参图4、图11与图13所示，在本实施例中，该第一驱动机构41包括：第一动力单元411（例如，气缸或者直线电机等），固定座415，被第一动力单元411驱动并沿垂直方向作升降动作的动块412，连接动块412的驱动轴417，分别驱动第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43转动的第一旋转轴461与第二旋转轴462，及同步块48。第一旋转轴461与第二旋转轴462侧壁对称形成螺旋形导引槽460，同步块48对称形成延伸入螺旋形导引槽460的导引端473，第一旋转轴461与第二旋转轴462在转动中保持平行。示例性地，第一动力单元411形成进气接口4116与出气接口4117，向第一动力单元411通入压缩空气，其驱动该动块412沿轴440作直线运动。
固定座415沿图4中轴410的方向执行直线运动，以带动该动块412沿轴410的方向执行直线运动。固定座415的顶部形成折弯部4151，并折弯部4151通过螺钉固定连接至底板15，且底板15属于底座10的一部分；固定座415的底部形成挡板4152。动块412通过滑块413与固定座415面向滑块413一侧且呈垂直设置的导轨414形成滑动连接。动块412连接驱动轴417，驱动轴417的自由端形成纵向插入安装座418的径缩端4171。驱动轴417套设安装座418，安装座418通过螺钉固定至支撑板11。安装座418与动块412之间轴向夹持例如采用不锈钢制成的波纹管416，以通过波纹管416阻止外界空气进入到键合腔体100且能够起到辅助动力传递的作用。驱动轴417垂直延伸出安装座418，并在安装座418内嵌设挡圈4172，以限制驱动轴417沿轴410所在方向发生轴向位移。
如图13所示，同步块48形成与驱动轴417轴向对接的被动轴419，驱动轴417与被动轴419之间轴向套设连接筒4173。被动轴419垂直延伸过同步块48并通过螺母4191予以固定。同步块48通过两个折弯件47连接延伸入螺旋形导引槽460的导引端473。第一旋转轴461与第二旋转轴462沿垂直方向分别对称地形成一个螺旋形导引槽460。折弯件47包括连接第一旋转轴461（或第二旋转轴462）的第一折弯部471及连接同步块48的第二折弯部472。第一折弯部471形成轴向连接导引端473的销轴（未示出）。当第一动力单元411驱动该驱动轴417沿轴410方向作升降运动时，通过同步块48同步驱动导引端473在螺旋形导引槽460移动，以驱动第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43同步地执行张开或者闭合。
示例性的，参图13所示，第一旋转轴461与第二旋转轴462的结构相同，第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43的结构相同。故，在本实施例中以第一旋转轴461及第一支撑悬臂42予以范例性说明。第一旋转轴461的顶部形成缺口422，第一支撑悬臂42包括呈薄片状本体420，第一支撑悬臂42远离渐缩端的末端形成嵌入缺口422的安装端。第一支撑悬臂42与第一旋转轴461形成活动安装，并可根据实际需要对第一支撑悬臂42及第二支撑悬臂43予以更换。
第一驱动机构41还包括保持第一旋转轴461与第二旋转轴462在转动过程中沿垂直方向的高度恒定的保持支架。保持支架包括：抵持板45，垂直于抵持板45并平行且垂直于水平面设置的两个立板451，两个立板451的对向内侧形成供第一旋转轴461与第二旋转轴462垂直贯穿的定位块4511，两个定位块4511对向设置，并位于第一旋转轴461与第二旋转轴462的内侧。第一旋转轴461远离第一支撑悬臂42的底部自由端4611及第二旋转轴462远离第二支撑悬臂43的底部自由端4621部分延伸入抵持板45，底部自由端4611及底部自由端4621与抵持板45之间套设轴承466，从而使得第一旋转轴461与第二旋转轴462能够在两个抵持板45中予以转动。需要说明的是，图13中的两个抵持板45还可形成一个整体结构。
由此可知，在本实施例所揭示的晶圆键合对准系统中，通过第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43远离第一驱动机构41的末端形成渐缩端面向第二晶圆60的一侧形成曲面431（或者曲面431a），以在第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43同步张开过程中通过曲面431（或者曲面431a）引导第二晶圆60向第一晶圆50靠近并相互贴合，从而使得第一晶圆50与第二晶圆60执行对准过程中，彼此圆心保持严格的同心圆布置（即，第一晶圆50的圆心与第二晶圆60的圆心在俯视视角下相互重合），降低了第一晶圆50与第二晶圆60贴合过程中所产生的冲击，并有效地避免在第一晶圆50与第二晶圆60之间形成气泡与空洞，同时还降低了第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43对第二晶圆60的表面601因第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43转动所产生的摩擦，有效地降低了划伤的发生，从而确保了键合后晶圆的电学性能及机械性能。
可选地，作为前述晶圆键合对准系统的一种合理变形，本申请还揭示了晶圆键合对准系统的一种典型变形例。本实施例所揭示的晶圆键合对准系统与前述实施例的主要区别在于，在本实施例中，第一晶圆50为载片，第二晶圆60为半导体晶圆。在本实施例降低了第一支撑悬臂42与第二支撑悬臂43对第一晶圆50的表面501的摩擦。本实施例与前述实施例所含相同部分的技术方案参前所述，在此不再赘述。
作为一种可选的实施方式，参图15所示，本申请还揭示了一种晶圆键合对准系统的又一种具体实施例，其与作为前述各实施例所揭示的晶圆键合对准系统的主要区别在于，在本实施例中，支撑组件3a被配置为形成圆弧台阶371的承托件37，并由至少两个承托件37的圆弧台阶371共同形成圆形限位区域以夹持第一晶圆50。承托件37的底部连接一个或者两个柱体372，多个柱体372长度相等并连接于如图14所示出的托板319。
基于前述实施例所揭示的晶圆键合对准系统的具体实施方式，本申请还揭示了一种晶圆键合设备。
参图1至图3所示，一种晶圆键合设备，包括：底座10，与底座10共同围合形成键合腔体100的罩体70，键合腔体100容置如上述任一具体实施例所揭示的晶圆键合对准系统。
晶圆键合设备用于对第一晶圆50与第二晶圆60执行对准操作，并在对准后对第一晶圆50与第二晶圆60执行晶圆键合，对以确保第一晶圆50与第二晶圆60的圆心O沿图2中的俯视视角下相互重合。可选地，被执行对准作业的第一晶圆50与第二晶圆60的直径相同。
示例性地，在本实施例中，底座10包括一底板15，图14中的第二驱动机构31及图13中的辅助对准机构40均固定安装于底板15。罩体70与底座10对接并形成与外界隔离的键合腔体100，键合腔体100可连接真空设备（未示出），以将键合腔体100根据半导体制程需要抽取空气，以形成对应真空度的真空状态，以满足晶圆键合需要。罩体70的侧壁形成一个或者多个可活动打开或者闭合的阀门71，晶圆传送手臂（未示出）可将第一晶圆50与第二晶圆60以水平姿态传送至键合腔体100并执行对准操作。
本申请所揭示的晶圆键合设备所含晶圆键合对准系统参前述实施例所述，在此不再赘述。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (12)
1.一种晶圆键合对准系统，其特征在于，包括：
热盘，沿垂直于所述热盘的方向作升降的限位机构，对称配置于所述热盘两侧的辅助对准机构；
所述限位机构包括至少两个并共同形成圆形限位区域以夹持第一晶圆的支撑组件；
所述辅助对准机构包括第一支撑悬臂，第二支撑悬臂，驱动第一支撑悬臂与第二支撑悬臂作同步转动的第一驱动机构，所述第一支撑悬臂与第二支撑悬臂远离第一驱动机构的末端形成渐缩端，所述渐缩端面向第二晶圆的一侧形成曲面，所述第一支撑悬臂与第二支撑悬臂同步张开过程中通过所述曲面引导第二晶圆向第一晶圆靠近并相互贴合。
2.根据权利要求1所述的晶圆键合对准系统，其特征在于，所述第一支撑悬臂与第二支撑悬臂的渐缩端面向第二晶圆的一侧形成向内倾斜的曲面，所述第一支撑悬臂与第二支撑悬臂同步张开过程中通过所述向内倾斜的曲面引导第二晶圆向第一晶圆靠近并相互贴合。
3.根据权利要求1所述的晶圆键合对准系统，其特征在于，所述支撑组件被配置为至少两个并共同形成圆形限位区域以夹持第一晶圆的支撑柱。
4.根据权利要求1所述的晶圆键合对准系统，其特征在于，所述支撑组件被配置为形成圆弧台阶的承托件，并由至少两个承托件的圆弧台阶共同形成圆形限位区域以夹持第一晶圆。
5.根据权利要求3所述的晶圆键合对准系统，其特征在于，所述限位机构包括：四个夹持晶圆且垂直布置的支撑柱，连接支撑柱的托板，及驱动所述托板沿垂直方向作升降运动的第二驱动机构；
所述支撑柱的顶端形成托持第一晶圆的台阶，及夹持第一晶圆与第二晶圆边缘的弧状侧壁；
所述四个支撑柱顶端所形成的弧状侧壁形成所述圆形限位区域，支撑柱连续贯穿热盘与位于热盘下方的支撑板。
6.根据权利要求5所述的晶圆键合对准系统，其特征在于，所述第一支撑悬臂与第二支撑悬臂在第一驱动机构驱动下同步转动，执行同步闭合及张开以分别形成第一状态与第二状态，在第一状态与第二状态中第一支撑悬臂与第二支撑悬臂均保持沿垂直方向的高度恒定。
7.根据权利要求6所述的晶圆键合对准系统，其特征在于，第一晶圆在所述第一支撑悬臂与第二支撑悬臂呈第一状态时，所述第一晶圆与第二晶圆沿垂直方向形成预设间隔距离，所述预设间隔距离小于或者等于所述渐缩端沿垂直方向的厚度。
8.根据权利要求7所述的晶圆键合对准系统，其特征在于，所述晶圆键合对准系统位于形成真空环境的键合腔体中，所述支撑柱在第二驱动机构的驱动下托持第一晶圆下降并贴合所述热盘，以对所述第一晶圆进行预热，并将预热后的第一晶圆上升至形成所述预设间隔距离的高度。
9.根据权利要求1所述的晶圆键合对准系统，其特征在于，所述第一晶圆为半导体晶圆，所述第二晶圆为载片；或者，
所述第一晶圆为载片，所述第二晶圆为半导体晶圆；或者，
第一晶圆与第二晶圆均为半导体晶圆。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的晶圆键合对准系统，其特征在于，
所述第一驱动机构包括：
第一动力单元，固定座，被第一动力单元驱动并沿垂直方向作升降动作的动块，连接所述动块的驱动轴，分别驱动所述第一支撑悬臂与第二支撑悬臂转动的第一旋转轴与第二旋转轴，及同步块；
所述第一旋转轴与第二旋转轴侧壁对称形成螺旋形导引槽，所述同步块对称形成延伸入所述螺旋形导引槽的导引端，所述第一旋转轴与第二旋转轴在转动中保持平行。
11.根据权利要求10所述的晶圆键合对准系统，其特征在于，所述同步块形成与驱动轴轴向对接的被动轴，所述驱动轴与被动轴之间轴向套设连接筒；
所述第一驱动机构还包括保持第一旋转轴与第二旋转轴在转动过程中沿垂直方向的高度恒定的保持支架；
所述保持支架包括：抵持板，垂直于所述抵持板并平行设置的两个立板，两个立板的对向内侧形成供第一旋转轴与第二旋转轴垂直贯穿的定位块，第一旋转轴远离所述第一支撑悬臂的第一底端及第二旋转轴远离所述第二支撑悬臂的第二底端部分延伸入所述抵持板，所述第一底端及第二底端与抵持板之间套设轴承。
12.一种晶圆键合设备，其特征在于，包括：
底座，与所述底座共同围合形成键合腔体的罩体，所述键合腔体容置如权利要求1至11中任一项所述的晶圆键合对准系统。
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