CN212659518U - 用于晶圆键合的键合盘以及晶圆键合装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于晶圆键合的键合盘以及晶圆键合装置，属于半导体晶圆加工领域。所述用于晶圆键合的键合盘从内侧到外侧依次包括压盘、石墨层、加热盘、冷却盘和隔热层，所述隔热层包括反射屏和基板，所述基板设置在反射屏的外侧，所述基板内设置有冷却介质循环通道。本实用新型通过石墨层使得加热盘的热量可均匀传导至压盘，可以补偿上下两个压盘的平行度误差。通过包括反射屏和基板的隔热层很好的防止加热盘热的量传导至连接件等部件，隔热效果好，加热盘加热效率高，基板冷却效果对加热盘加热时影响比较小。并且，本实用新型结构简单。

Description

用于晶圆键合的键合盘以及晶圆键合装置

技术领域

本实用新型涉及半导体晶圆加工领域，特别是指一种用于晶圆键合的键合盘以及晶圆键合装置。

背景技术

随着晶圆键合技术的应用领域越来越广泛，温度逐渐成为晶圆键合技术发展的瓶颈之一。晶圆键合工艺包括融合、阳极键合、金属键合及聚合物粘胶键合等，这些晶圆键合方式中都需要将两片晶圆加热，使晶圆表面介质层相互融合或扩散，并完成两片晶圆压合在一起。

现有技术的一种晶圆键合用键合盘是由加热盘、冷却盘和压盘组成。晶圆键合装置使用上下两套键合盘，上键合盘和下键合盘对称设置。以下键合盘为例，加热盘安装于冷却盘之上，压盘安装在加热盘上面。上键合盘的结构与下键合盘对称。上下两片晶圆放置在键合盘的压盘上，下键合盘加热下晶圆并提供支承，上键合盘加热上晶圆并提供键合压力。

现有技术的加键合盘在加热过程中，容易把加热盘的温度传导到加热盘连接件上及真空腔体内。当加热盘温度达到键合温度550℃高温时，传导到真空腔体的温度会非常高，将会直接损伤真空元件和密封件等部件，并且人员触碰到高温真空腔体时会有烫伤风险。

实用新型内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种用于晶圆键合的键合盘以及晶圆键合装置，本实用新型结构简单、加热快速且均匀、平行度好、与连接件的隔热性能好。

本实用新型提供技术方案如下：

一种用于晶圆键合的键合盘，所述用于晶圆键合的键合盘从内侧到外侧依次包括压盘、石墨层、加热盘、冷却盘和隔热层，所述隔热层包括反射屏和基板，所述基板设置在反射屏的外侧，所述基板内设置有冷却介质循环通道。

进一步的，所述加热盘和压盘通过弹性连接件连接。

进一步的，所述弹性连接件为弹簧卡勾。

进一步的，所述加热盘包括加热盘基体和设置在所述加热盘基体上的加热元件，所述加热盘基体上中心处的加热元件密度大于边缘处的加热元件密度。

进一步的，所述加热盘基体包括内圆形加热区和外环形加热区，所述外环形加热区的加热元件密度大于内圆形加热区的加热元件密度，所述内圆形加热区的加热元件和外环形加热区的加热元件分别单独控制。

进一步的，所述加热盘和冷却盘为一体结构，所述加热盘基体内设置有冷却介质循环管道，形成冷却盘，所述冷却介质循环管道与提供冷却介质的外部管道连接。

进一步的，所述冷却介质循环管道与外部管道为一体结构的同一个管道，所述冷却介质循环管道通过铸压的方式设置在加热盘基体内。

进一步的，所述反射屏为多层，相邻两层反射屏之间通过圆柱块隔离。

进一步的，所述反射屏的层数为3～5层，所述基板上设置有温度传感器，所述压盘和加热盘的材质为陶瓷或不锈钢，所述石墨层的厚度为2～5mm，所述压盘内表面的平面度为2～4μm。

一种晶圆键合装置，包括前述的用于晶圆键合的键合盘。

本实用新型具有以下有益效果：

本实用新型的用于晶圆键合的键合盘通过石墨层使得加热盘的热量可均匀传导至压盘，可以补偿上下两个压盘的平行度误差。通过包括反射屏和基板的隔热层很好的防止加热盘热的量传导至连接件等部件，隔热效果好，加热盘加热效率高，基板冷却效果对加热盘加热时影响比较小。并且，本实用新型结构简单。

附图说明

图1为本实用新型的用于晶圆键合的键合盘的外部结构示意图；

图2为本实用新型的用于晶圆键合的键合盘的剖视图；

图3为本实用新型的用于晶圆键合的键合盘的俯视图；

图4为加热盘和冷却盘的示意图；

图5为本实用新型的晶圆键合装置的示意图。

具体实施方式

为使本实用新型要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本实用新型实施例提供一种用于晶圆键合的键合盘100，如图1-4所示，该键合盘100从内侧到外侧依次包括压盘110、石墨层120、加热盘130、冷却盘140和隔热层150，隔热层150包括反射屏151和基板152，基板152设置在反射屏151的外侧，基板152内设置有冷却介质循环通道。

本实用新型的用于晶圆键合的键合盘在使用时，上下两个键合盘对称设置，上下两片晶圆放置在两个键合盘之间。靠近晶圆的方向为内侧，远离晶圆的方向为外侧。即下键合盘的上方为内侧，下方为外侧，上键合盘的下方为内侧，上方为外侧。

本实用新型的工作过程为：晶圆夹盘等晶圆夹持机构夹持晶圆对送入上下两个键合盘之间，将上键合盘下降到晶圆的位置，使得上下键合盘的压盘的内表面与晶圆接触。根据特定的键合工艺需求，进行加压、加热和冷却。

本实用新型在压盘和加热盘中间夹一层石墨层，石墨层是键合盘的匀热层和缓冲层，石墨的热传导率高，压缩变形率高。利用石墨热传导率高的特性，可以将加热盘的热量通过石墨层匀热后均匀传导至压盘。利用石墨压缩变形率高的特性，当键合盘承受压力时，石墨层可变形，可以补偿上下两个压盘的平行度误差。

本实用新型在键合盘的最外侧设置了隔热层，隔热层可以同时作为连接件的安装板，隔热层能够防止加热盘的温度传导到加热盘连接件上及真空腔体内，防止损伤部件以及烫伤人员。

并且本实用新型的隔热层包括内侧的反射屏和外侧的基板。反射屏将加热盘的热量反射回去，减少加热盘和隔热层基板之间的热交换，并且一定程度上提高了加热盘的加热效率。隔热层基板通过冷却液循环，把穿过反射屏的热量带走，减少传导至其他连接件的热量。基板在进行冷却时，反射屏还会起到加热盘与基板的一定程度的隔离作用，减少基板的冷却对加热盘的影响。通过反射屏和基板的隔热设置，可以很好的防止加热盘热的量传导至连接件等部件，隔热效果好，加热盘加热效率高，基板冷却效果对加热盘加热时影响比较小。

综上所述，本实用新型的用于晶圆键合的键合盘通过石墨层使得加热盘的热量可均匀传导至压盘，可以补偿上下两个压盘的平行度误差。通过包括反射屏和基板的隔热层很好的防止加热盘热的量传导至连接件等部件，隔热效果好，加热盘加热效率高，基板冷却效果对加热盘加热时影响比较小。并且，本实用新型结构简单。

作为本实用新型的一种改进，加热盘130和压盘110通过弹性连接件160连接。

在加热盘加热时，加热盘和压盘都会热膨胀变形，所以加热盘和压盘采用固定连接的方式效果不好，本实用新型通过弹性连接的方式将加热盘和压盘连接在一起，弹性连接件将压盘弹性压紧在石墨层上。当加热盘温度升高，加热盘和压盘发生热膨胀时，通过弹性连接件，补偿热盘和压盘的厚度变化。

弹性连接件160优选为弹簧卡勾，使用弹簧卡勾夹紧的方式固定压盘。

作为本实用新型的另一种改进，加热盘130包括加热盘基体131和设置在加热盘基体131上的加热元件132，加热盘基体131上中心处的加热元件密度大于边缘处的加热元件密度，加热元件优选为环形设置的电热丝。

加热盘的温度均匀度是能否键合成功的关键，如果加热盘温度均匀度差，容易导致晶圆在不同位置热膨胀不同而引起晶圆碎裂。当晶圆直径较大时，例如大于300mm时，加热区域较大，并且边缘部分和中心部分存在散热、边缘效应的因素影响，导致边缘部分和中心部分热量不均匀。因此加热盘基体上中心处的加热元件密度大于边缘处的加热元件密度。

本实用新型还可以在加热盘的各个位置设置温度传感器等测温反馈元件来检测加热盘的温度，以及温度是否均匀。

优选的，加热盘基体131包括内圆形加热区133和外环形加热区134，外环形加热区134的加热元件密度大于内圆形加热区133的加热元件密度，内圆形加热区133的加热元件和外环形加热区134的加热元件分别单独控制。

当晶圆直径较大时，加热区域较大，并且加热盘外圈有边缘效应，同一个加热元件很难满足键合晶圆所需高均匀度。所以较大晶圆的键合时，有必要将加热盘基体上的加热区域分成内外两个加热区域，设置两组加热元件和两组测温反馈元件，并单独控制两个加热区域，能够更好的保证晶圆键合所需的温度均匀度。

本实用新型的加热盘130和冷却盘140可以为一体结构，加热盘基体131内设置有冷却介质循环管道135，形成冷却盘，冷却介质循环管道135与提供冷却介质的外部管道(进出冷却液的管道)170连接。

冷却盘的冷却介质可以为液氮、水和压缩空气等。在加热盘加热时停止冷却介质循环，提高加热速率。晶圆键合完成之后，停止加热并开始循环冷却介质，冷却加热盘及晶圆。

冷却介质循环管道为金属管道，冷却介质循环管道135与外部管道170优选为一体结构的同一个管道，冷却介质循环管道135通过铸压的方式设置在加热盘基体131内。

现有技术的冷却盘的外部管道直接与冷却盘的冷却介质循环管道焊接，这种焊接方式无法承受高压，循环冷却液流量大小受限，当冷却液增加超过焊缝承受极限将会导致焊缝脱落并且漏水风险极大。

本实用新型的冷却介质循环管道使用金属管压铸的方式设置在加热盘内，外部管道和冷却介质循环管道为一体，冷却介质循环管道出管处无焊接。一体的管道比焊接的管道更优，其可以更高的压力，在同等直径的管道里冷却介质流量更大，散热量大，从而能够提高冷却速率。

反射屏151可以为多层，优选为3～5层，相邻两层反射屏151之间通过圆柱块153隔离。

基板152上设置有温度传感器，检测基板温度，通过调整冷却介质流量大小来保证基板温度在50℃以内，更优在30℃以内，当基板温度超过设定温度时，加热盘停止继续加热。基板的冷却介质可以为液氮、水和压缩空气等，优选为水。

压盘110和加热盘130的材质为陶瓷或不锈钢。

加热盘是键合盘的关键组成部分，加热盘加热温度、温度均匀度、稳定性和加热速率等参数都是晶圆键合成功与否的关键。不同键合工艺所需的键合温度不同。胶黏键合工艺键合温度在250℃以内，铜-铜金属扩散键合温度需要达到450℃，共融晶键合温度选290℃。加热盘材料选择需要考虑应用环境、使用温度、承受压力和热膨胀系数等参数。如果加热温度达到450℃，可以选择在真空和高温环境下，抗压能力大，热膨胀系数小的SiC陶瓷、SI₃N₄陶瓷等陶瓷材料。如果加热温度小于450℃时，可选用不锈钢材料。陶瓷材料和不锈钢材料导热性能好，能一定程度上增加加热盘温度的均匀度。

压盘材料选择时应考虑承受压力、加热温度和使用环境等情况等，可以选用SiC陶瓷、SI₃N₄陶瓷等陶瓷材料，以及不锈钢等。

晶圆键合一般都要求有键合压力，最高能达到100KN压力，所以通过石墨层压缩变形性能补偿上下压盘平行度误差。为保证石墨的变形性能，需要石墨层具有一定厚度，石墨层厚度需要控制在2～5mm范围内，最优为3mm厚度。

压盘为与晶圆接触的部件，因此要求其表面平面度好，光洁度高。与晶圆接触的内表面的平面度为2～4μm，最优为3μm，不宜过大或过小，如果表面平面度精度太高，则在晶圆键合后可能会引起晶圆与压盘粘接在一起。如果表面平面度精度太低，则在键合过程中在承受压力时会引起晶圆碎裂。

本实用新型实施例还提供一种晶圆键合装置，其包括前述的用于晶圆键合的键合盘100。

本实用新型的晶圆键合装置包括前述的用于晶圆键合的键合盘，其自然也就具备用于晶圆键合的键合盘的有益效果，此处不再赘述。

本实用新型的晶圆键合装置可以只包括一个键合盘，晶圆夹持在晶圆夹盘上，晶圆夹盘与键合盘对晶圆进行键合。

本实用新型的晶圆键合装置可以包括2个键合盘，如图5所示，其包括键合腔体200，键合腔体200内对称设置有上键合盘300和下键合盘400。晶圆夹盘夹持上下晶圆送入键合腔体后放置在下键合盘上面。上键合盘300与压缸500连接，上键合盘可上下滑动，加热上晶圆并提供键合压力。下键合盘400与键合腔体底板连接，下键合盘加热下晶圆并提供支承。上下键合盘分别单独控制。上键合盘300和下键合盘400均为前述的用于晶圆键合的键合盘100。

以上所述是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于晶圆键合的键合盘，其特征在于，所述用于晶圆键合的键合盘从内侧到外侧依次包括压盘、石墨层、加热盘、冷却盘和隔热层，所述隔热层包括反射屏和基板，所述基板设置在反射屏的外侧，所述基板内设置有冷却介质循环通道。

2.根据权利要求1所述的用于晶圆键合的键合盘，其特征在于，所述加热盘和压盘通过弹性连接件连接。

3.根据权利要求2所述的用于晶圆键合的键合盘，其特征在于，所述弹性连接件为弹簧卡勾。

4.根据权利要求1-3任一所述的用于晶圆键合的键合盘，其特征在于，所述加热盘包括加热盘基体和设置在所述加热盘基体上的加热元件，所述加热盘基体上中心处的加热元件密度大于边缘处的加热元件密度。

5.根据权利要求4所述的用于晶圆键合的键合盘，其特征在于，所述加热盘基体包括内圆形加热区和外环形加热区，所述外环形加热区的加热元件密度大于内圆形加热区的加热元件密度，所述内圆形加热区的加热元件和外环形加热区的加热元件分别单独控制。

6.根据权利要求4所述的用于晶圆键合的键合盘，其特征在于，所述加热盘和冷却盘为一体结构，所述加热盘基体内设置有冷却介质循环管道，形成冷却盘，所述冷却介质循环管道与提供冷却介质的外部管道连接。

7.根据权利要求6所述的用于晶圆键合的键合盘，其特征在于，所述冷却介质循环管道与外部管道为一体结构的同一个管道，所述冷却介质循环管道通过铸压的方式设置在加热盘基体内。

8.根据权利要求7所述的用于晶圆键合的键合盘，其特征在于，所述反射屏为多层，相邻两层反射屏之间通过圆柱块隔离。

9.根据权利要求8所述的用于晶圆键合的键合盘，其特征在于，所述反射屏的层数为3～5层，所述基板上设置有温度传感器，所述压盘和加热盘的材质为陶瓷或不锈钢，所述石墨层的厚度为2～5mm，所述压盘内表面的平面度为2～4μm。

10.一种晶圆键合装置，其特征在于，包括权利要求1-9任一所述的用于晶圆键合的键合盘。

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