CN202193612U - 一种单芯片和晶圆的键合设备 - Google Patents

Abstract

一种单芯片和晶圆的键合设备，该键合设备包括晶圆台、存储组件、操作手、显微系统以及控制系统，所述晶圆台具有X-Y向和旋转三个自由度，所述操作手具有X-Y-Z向三个自由度，所述显微系统包括第一显微系统和第二显微系统，所述第一显微系统很第二显微系统分别检测单芯片和晶圆的位姿后，向所述控制系统传输图形信号，所述控制区根据该单芯片位姿图形信号和晶圆键合区位姿图形信号，控制操作手或者晶圆台调节单芯片或者晶圆键合区的位姿。此种结构的键合设备具有操作简单、器件适应性强，键合精度高、运动及功能灵活，可有效保护晶圆区可动结构的特点，所以此种结构的键合设备的应用会越来越广泛。

Description

一种单芯片和晶圆的键合设备

技术领域

本实用新型涉及一种单芯片与晶圆的键合设备，尤其是涉及一种可适应多种芯片的键合设备。

背景技术

微机电系统(Micro-Electro-Mechanical Systems；MEMS)器件与集成电路的不同主要包括两方面，一是含有可动结构，二是要与环境相互作用，这两点给封装带来很大的难度，其封装成本高也主要是由这两点造成的。由于有可动结构，在封装过程中必须保护可动结构不被损坏，因此不能直接采用成熟的集成电路封装工艺。由于要与环境相互作用，因此封装既要考虑到与环境的相互作用，又要保证器件性能不受影响，处理起来难度很大。同时，封装前的预对准也增加了封装难度。目前国内外封装主要采用光刻机下预对准，手工放入封装设备中进行封装的方式，往往造成最终的封装精度和效果不能满足指标要求。这无形中增加了封装成本和难度，而且降低了封装效率。

圆片级封装具有很好的市场化前景，在圆片级封装技术和设备研究的同时，需要认识到我国MEMS产业目前的发展阶段主要处于多品种、高特异性、中小批量产业化并存的发展阶段，很多MEMS器件是在键合后构成新结构的。对于这种器件的封装，圆片键合不能胜任，因为划片时使用的切削液容易进入微结构内，而且难以清除，从而造成微结构的破坏。而采用晶圆片和单芯片级封装手段来实现MEMS器件的封装，则可以避免大面积区域的键合，使得一些可动微结构得到保护，因此越来越的人开始关注起单芯片和晶圆级的封装工艺。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的一个目的在于提供一种具有操作简单、器件适应性强，键合精度高、运动及功能灵活，可有效保护晶圆区可动结构的单芯片与晶圆的键合设备，同时本实用新型的另一目的在于提出利用该键合设备对单芯片和晶圆进行键合的方法。

根据本实用新型的目的提出的一种单芯片和晶圆的键合设备，包括用以固定晶圆的晶圆台(6)、用以放置单芯片的存储组件(13)、用以拾取单芯片的操作手(4)、显微系统以及控制系统，其中：所述晶圆台(6)具有X-Y向和旋转三个自由度，所述操作手(4)具有X-Y-Z向三个自由度，所述显微系统包括用以检测被操作手拾取后的单芯片位姿的第一显微系统(15)和用以检测固定在晶圆台上的晶圆位姿的第二显微系统(5)，所述第一显微系统(15)和所述第二显微系统(5)分别连接于控制系统。

可选的，所述晶圆台(6)上设有对键合过程进行加热的加热设备。

可选的，所述晶圆台的底部设有旋转电机(8)、晶圆台X向电机(9)和晶圆台Y向电机(11)，所述旋转电机(8)、晶圆台X向电机(9)和晶圆台Y向电机(11)分别连接于控制系统。

可选的，所述操作手(4)的尾部设有操作手X向电机(1)、操作手Y向电机(2)以及操作手Z向电机(3)，所述操作手X向电机(1)、操作手Y向电机(2)以及操作手Z向电机(3)分别连接于控制系统。

可选的，所述第一显微系统连接一调节焦距的Z向电机(12)。

可选的，所述第二显微系统连接一调节焦距的Z向电机(10)。

可选的，所述操作手进一步包括操作手主体(4-8)、夹板(4-4)、连接板(4-6)和用以吸取单芯片的吸管(4-2)和吸头(4-1)，所述操作手主体(4-8)通过一簧片(4-7)柔性连接于连接板(4-6)上，同时与夹板(4-4)刚性连接，所述吸管(4-2)和吸头(4-1)连接一真空设备。

可选的，所述操作手进一步测力磁体(4-3)和定位磁铁(4-5)，该测力磁铁(4-3)和定位磁铁(4-5)固定于所述连接板(4-6)上并分布于所述夹板(4-4)的两侧。

可选的，所述测力磁铁(4-3)与所述夹板(4-4)吸合时，所述定位磁铁(4-5)与所述夹板(4-4)断开；所述测力磁铁(4-3)与所述夹板(4-4)断开时，所述定位磁铁(4-5)与所述夹板(4-4)吸合。

上述的单芯片和晶圆的键合设备，采用多个自由度的电机模块实现精确定位，通过显微系统对单芯片位姿进行识别检测，并通过磁铁进行力的判断，当力大于磁铁吸附力时磁铁脱开，操作手停止向下运动，从而使单芯片操作过程中保证操作精度和施加适当的键合压力。

同时，通过两套显微系统进行配合，分别对晶圆上图形和单芯片上图形进行自动识别和检测，并根据检测结果进行自动调整，从而保证晶圆上需键合的结构图形与单芯片图形的对准。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型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实用新型的一些实施例，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是本实用新型的单芯片和晶圆键合设备的结构图；

图2是本实用新型的键合设备的操作手结构示意图。

具体实施方式

由于圆片级封装是一个非常复杂的工艺，而且对于MEMS器件来说，使用圆片级封装容易使一些微结构遭到破坏，影响整个器件的功能。所以人们提出了使用单芯片与晶圆进行直接键合的工艺，避免大面积的键合区域，从而提高MEMS器件的生产良率。

本实用新型正是在此基础上，提出了一种高效率、高精度、高质量的单芯片和晶圆的键合设备。该键合设备的高效率体现在，从单芯片的挑选到键合，整个流程全部采用自动化操作进行，相比较人工拾取的方式，其操作速度大大提高，而且能够将键合工艺整合到整个封装工艺中去，从而提高生产效率。该键合设备的高精度体现在，在单芯片拾取到晶圆上的过程中，采用两套显微系统分别对单芯片和晶圆的位姿进行检测，并由控制系统调节两者的位姿关系，保证键合区能够精准的对位在一起。该检测设备的高质量体现在，拾取芯片的操作手上设有力监控系统，能够确保操作手在键合单芯片和晶圆时不会因为接触力过大而损坏单芯片，从而确保了键合的质量。

下面，将结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细说明。

请参见图1，图1是本实用新型的单芯片和晶圆键合设备的结构图。如图所示，该键合设备安装在底板14上，包括晶圆台6、存储组件13、操作手4、显微系统以及设置于外部的控制系统(图1中未示出)。所述晶圆台6用以固定一晶圆，同时也是键合时的工作载体，在该晶圆台6上设有加热设备，该加热设备用以在键合过程中把单芯片和晶圆加热到键合所需的温度。所述存储组件13用以放置多个单芯片，该多个芯片可以是型号相同的芯片，也可以是不同类型的芯片。所述操作手4用以从存储组件13中拾取一单芯片，并将该单芯片转移到晶圆上进行键合，该操作手4同时可以释放0-1500V的电压，能够保障不同芯片所需要的键合电压。所述显微系统包括第一显微系统15和第二显微系统5。第一显微系统15用以检测被操作手4拾取后的单芯片位姿，并向所述控制系统发出单芯片位姿图形信号，第二显微系统16用以检测固定在晶圆台上的晶圆位姿，向所述控制系统发出晶圆位姿图形信号。

进一步的，该晶圆台6的底部还设有旋转电机8、晶圆台X向电机9和晶圆台Y向电机11，该三个电机组成了晶圆台6的电机组，使得晶圆台6具有X-Y向和旋转三个自由度。所述旋转电机8、晶圆台X向电机9和晶圆台Y向电机11分别连接于控制系统，并根据该控制系统发出的指令对晶圆台6进行调节，从而达到控制晶圆位姿的效果。

进一步的，该操作手4的尾部还设有操作手X向电机1、操作手Y向电机3以及操作手Z向电机2，该三个电机组成操作手4的电机组，使得操作手4具有X-Y-Z向三个自由度。所述操作手X向电机1、操作手Y向电机3以及操作手Z向电机2分别连接于控制系统，并根据该控制系统发出的指令移动该操作手4，从而实现拾取和转移单芯片的效果。

进一步的，该第一显微系统15连接一Z向电机12，该Z向电机12连接控制系统，并在该控制系统的控制下带动第一显微系统15在Z向上运动，实现对该第一显微系统15的自动调焦。

进一步的，该第二显微系统5通过支柱7连接一Z向电机10，该Z向电机10连接控制系统，并在该控制系统的控制下带动第二显微系统5在Z向上运动，实现对该第二显微系统5的自动调焦。

运用本实用新型的单芯片和晶圆的键合设备进行键合的方法如下：

操作手4在电机组的驱动下，移动到存储组件13的上方，并选择一块单芯片进行拾取动作，拾取单芯片后移动到第一显微系统15上，此处的第一显微系统15可以设置在异于存储组件13的地方，也可以设置在存储组件13下方。当设置在存储组件13下方时，需要在存储组件的界面上设置可供第一显微系统15观测的通孔。

当操作手4携带单芯片来到第一显微系统15的观测区域后，第一显微系统15在Z向电机12的驱动下进行自动调焦，直到输出给控制系统一个清晰的单芯片位姿图形信号。此处的单芯片位姿可以是整个单芯片的位姿，也可以是单芯片中某一特定符号的位姿，该特定符号与晶圆对应位置的另一特定符号形成键合所需的对位标记。

此时第二显微系统5对晶圆上需要键合的区域进行位姿检测，同样通过Z向电机10的自动调节后输出给控制系统一个清晰的晶圆位姿图形信号。此处的晶圆位姿可以是整个晶圆的位姿，也可以是与单芯片上特定符号对应的另一特定符号的位姿。

控制系统接收到来自两个显微系统的图形信号后，开始比对和分析两个图形信号之间是否满足键合的同步需要，并向操作手4或者晶圆台6中的一个或两个发出同步调节信号，操作手4或晶圆台6接收到该同步调节信号后对单芯片或晶圆的位姿进行调节，使两者能够互相匹配，实现高精度对位。

完成对位后，操作手4将单芯片转移到晶圆对应的键合区位置，开始实施键合操作。此处需要指出的是，对于操作手4和晶圆台6之间的位移可以按照预先设定好的线路进行，不需要考虑操作手4因移动而带来的对位误差。

在进行键合操作时，操作手4对单芯片和晶圆施加一个键合电压，同时，晶圆台开始对晶圆和单芯片加热，直到达到键合所需要的温度。

下面，再对操作手4的详细结构做介绍，以说明本实用新型的键合设备如何能够保障单芯片在拾取过程中的质量。

请参见图2，图2是本实用新型的键合设备的操作手结构示意图。如图所示，该操作手包括操作手主体4-8、连接板4-6、夹片4-4、测力弹簧4-3、定位磁铁4-5、吸管4-2以及吸头4-1。其中，吸管4-2和吸头4-1连接真空气路，对芯片进行吸取；操作手主体4-8通过连接板4-6连接到电机组上，操作手主体4-8本身则通过一簧片4-7与连接板4-6进行柔性连接；同时，操作手主体4-8还与夹板4-4刚性连接；测力磁铁4-3和定位磁铁4-5固定在连接板4-6上，同时该两块磁体分布在夹板两侧。当操作手未处于按压受力的状态时，测力磁铁4-3与夹板4-4吸合，起保持操作手位姿的作用，定位磁铁4-5则处于断开状态。而当操作手4携带单芯片向下放入晶圆的键合区时，操作手4与单芯片之间产生一接触力，该接触力大于测力磁铁4-3的吸力时，测力磁体4-3被强行断开，并提供电机一个停止运作的反馈信号，此时操作手停止运动；同时定位磁铁4-5与夹板4-4吸合，稳定操作手4位姿，从而进行后续操作。此处需要注意的是，由测力磁铁4-3提供的吸力可以按需求进行选择，以小于单芯片和晶圆表面所能承受的最大压力为前提，这样就可以避免操作手在向下按压单芯片的时候破坏单芯片和晶圆表面的微结构，保证键合后的MEMS器件各种可动微结构的完好性，从而提高MEMS器件封装的良率。

综上所述，本实用新型提供的单芯片和晶圆的键合设备，具有如下特点：

为了使单芯片操作过程中保证操作精度和施加适当的键合压力，设计中采用多个自由度的电机模块实现精确定位，通过显微系统对单芯片位姿进行识别检测，并通过磁铁进行力的判断，当力大于磁铁吸附力时磁铁脱开，操作手停止向下运动。

为了保证晶圆上需键合的结构图形与单芯片图形的对准，通过两套显微系统进行配合，分别对晶圆上图形和单芯片上图形进行自动识别和检测，并根据检测结果进行自动调整。

晶圆台可以实现自动温度控制，根据不同的键合温度要求进行调节，以适应不同的键合芯片。

操作手输出0-1500V电压，可以根据不同的键合电压要求进行施加。

本实用新型的有益效果是：此种结构的设备具有操作简单、器件适应性强，键合精度高、运动及功能灵活，可有效保护晶圆区可动结构的特点，所以此种结构的键合设备的应用会越来越广泛。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种单芯片和晶圆的键合设备，包括用以固定晶圆的晶圆台(6)、用以放置单芯片的存储组件(13)、用以拾取单芯片的操作手(4)、显微系统以及控制系统，其特征是：所述晶圆台(6)具有X-Y向和旋转三个自由度，所述操作手(4)具有X-Y-Z向三个自由度，所述显微系统包括用以检测被操作手拾取后的单芯片位姿的第一显微系统(15)和用以检测固定在晶圆台上的晶圆位姿的第二显微系统(5)，所述第一显微系统(15)和所述第二显微系统(5)分别连接于控制系统。

2.根据权利要求1所述的单芯片和晶圆键合设备，其特征是：所述晶圆台(6)上设有对键合过程进行加热的加热设备。

3.根据权利要求1所述的单芯片和晶圆键合设备，其特征是：所述晶圆台的底部设有旋转电机(8)、晶圆台X向电机(9)和晶圆台Y向电机(11)，所述旋转电机(8)、晶圆台X向电机(9)和晶圆台Y向电机(11)分别连接于控制系统。

4.根据权利要求1所述的单芯片和晶圆键合设备，其特征是：所述操作手(4)的尾部设有操作手X向电机(1)、操作手Y向电机(2)以及操作手Z向电机(3)，所述操作手X向电机(1)、操作手Y向电机(2)以及操作手Z向电机(3)分别连接于控制系统。

5.根据权利要求1所述的单芯片和晶圆键合设备，其特征是：所述第一显微系统连接一调节焦距的Z向电机(12)。

6.根据权利要求1所述的单芯片和晶圆键合设备，其特征是：所述第二显微系统连接一调节焦距的Z向电机(10)。

7.根据权利要求1所述的单芯片和晶圆键合设备，其特征是：所述操作手进一步包括操作手主体(4-8)、夹板(4-4)、连接板(4-6)和用以吸取单芯片的吸管(4-2)和吸头(4-1)，所述操作手主体(4-8)通过一簧片(4-7)柔性连接于连接板(4-6)上，同时与夹板(4-4)刚性连接，所述吸管(4-2)和吸头(4-1)连接一真空设备。

8.根据权利要求7所述的单芯片和晶圆键合设备，其特征是：所述操作手上具有测力磁体(4-3)和定位磁铁(4-5)，该测力磁铁(4-3)和定位磁铁(4-5)固定于所述连接板(4-6)上并分布于所述夹板(4-4)的两侧。

9.根据权利要求8所述的单芯片和晶圆键合设备，其特征是：所述测力磁铁(4-3)与所述夹板(4-4)吸合时，所述定位磁铁(4-5)与所述夹板(4-4)断开；所述测力磁铁(4-3)与所述夹板(4-4)断开时，所述定位磁铁(4-5)与所述夹板(4-4)吸合。

Images