CN216161692U - 一种晶圆键合装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种晶圆键合装置，包括激活模块、键合模块、检测模块、后退火模块和机台框架；所述激活模块、所述键合模块、所述检测模块和所述后退火模块均设置于所述机台框架上；所述激活模块、所述键合模块、所述检测模块和所述后退火模块均设有温度控制组件，所述温度控制组件包括电加热元件。本实用新型能够有效解决键合异种晶圆时存在的键合的热应力问题及薄膜转移问题，同时利用该设备实现了键合的检测，提高效率。

Description

一种晶圆键合装置

技术领域

本实用新型涉及晶圆键合技术领域，尤其涉及一种晶圆键合装置。

背景技术

当前单一的半导体材料已经不能满足高性能器件的快速发展。晶圆键合技术是实现高性能衬底的常用技术之一，其不受材料晶格参数限制，应用广泛的特点使其广受关注。超越摩尔的技术发展路线提出了对异质集成技术的迫切需求。异质集成技术是将具有不同性质的材料集成在一起，从而实现多种功能器件的高密度集成，晶圆键合是实现不同材料异质集成的有效方法。此外，3D集成技术的发展也离不开晶圆键合技术。在晶圆键合过程中，常常需要对晶圆的键合参数进行精确调控以实现无缺陷的衬底键合，这就需要高效精确的高温键合装置。而当前所用的键合装置在键合时无法实现异质材料的精确对准及无缺陷键合，因而提出一种自动化晶圆键合装置。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型实施例提供了一种晶圆键合装置，能够有效解决键合异种晶圆时存在的键合的热应力问题及薄膜转移问题。

本实用新型实施例提供了一种晶圆键合装置，包括激活模块、键合模块、检测模块、后退火模块和机台框架；所述激活模块、所述键合模块、所述检测模块和所述后退火模块均设置于所述机台框架上；所述激活模块、所述键合模块、所述检测模块和所述后退火模块均设有温度控制组件，所述温度控制组件包括电加热元件。

进一步地，所述晶圆键合装置还包括机械传动模块，所述机械传动模块设置于所述机台框架上，所述激活模块、所述键合模块、所述检测模块和所述后退火模块沿所述机械传动模块周向设置。

进一步地，所述晶圆键合装置还包括清洗模块，所述清洗模块与所述机台2 框架连接。

进一步地，所述键合模块包括缓冲腔，所述缓冲腔的数量为至少一个。

进一步地，所述激活模块还包括激活腔室、顶电极和支撑组件，所述激活腔室中设置所述电加热元件、所述支撑组件和所述顶电极。进一步地，所述键合模块还包括键合腔室和对准固定组件，所述对准固定组件设置于所述键合腔室内。

进一步地，所述键合模块还包括活动固定组件，所述活动固定组件包括固定臂和活动臂，所述活动臂与所述固定臂铰接。

进一步地，所述后退火模块设置有至少三个后退火腔室。进一步地，所述晶圆键合装置还包括晶圆周转模块，所述晶圆周转模块设置于所述机台框架上。

进一步地，所述晶圆周转模块设置至少三个晶圆周转腔室。

实施本实用新型，具有如下有益效果：本实用新型所述晶圆键合装置，包括激活模块、键合模块、检测模块、后退火模块和机台框架；所述激活模块、所述键合模块、所述检测模块和所述后退火模块均设置于所述机台框架上；通过将所述激活模块、所述键合模块、所述检测模块和所述后退火模块均整合于所述机台框架上，提高了键合效率，且所述激活模块、所述键合模块、所述检测模块和所述后退火模块均设有温度控制组件，所述温度控制组件包括电加热元件，方便提前对各个模块中的晶圆温度进行调整，使得晶圆键合中前后工艺实现自动化整合，且通过温度控制组件提供了高效精确的高温键合装置，有利于键合过程中工艺参数的控制，降低了工艺缺陷的风险，使得键合异种晶圆时存在的键合的热应力问题及薄膜转移问题得到解决，同时利用该设备实现了键合的检测，提高效率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，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它附图。

图1是本实用新型一实施例的提供的晶圆键合装置的结构示意图。

图2是本实用新型一实施例提供的温度控制组件的示意图。

图3是本实用新型一实施例提供的清洗模块的结构示意图。

图4是本实用新型一实施例提供的激活模块的主视结构示意图。

图5是本实用新型一实施例提供的激活模块的俯视结构示意图。

图6是本实用新型一实施例提供的键合模块的主视结构示意图。

图7是本实用新型一实施例提供的键合模块的俯视结构示意图。

图8是本实用新型一实施例提供的检测模块的结构示意图。

图9是本实用新型一实施例提供的后退火模块的结构示意图。

图10是本实用新型一实施例提供的晶圆取放装置的结构示意图。

其中，图中附图标记对应为：10-腔室，20-电加热元件，30-晶圆，100-清洗模块，200-激活模块，201-激活腔室，202-顶电极，203-支撑组件，300-键合模块，301-键合腔室，302-对准固定组件，303-活动固定组件，3031-固定臂， 3032-活动臂，304-压力控制组件，400-检测模块，401-光学检测组件，402-检测台，500-后退火模块，510-后退火腔室，600-晶圆周转模块，700-机械传动模块，710-底座，720-移动手臂，730-晶圆取放装置。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，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”、“顺时针”、“逆时针”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示4 相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量，由此限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征，在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

如图1所示，为本实用新型一实施例的提供的晶圆键合装置的结构示意图，所述晶圆键合装置，包括激活模块200、键合模块300、检测模块400、后退火模块500和机台框架；所述激活模块200、所述键合模块300、所述检测模块400 和所述后退火模块500均设置于所述机台框架上；通过将所述激活模块200、所述键合模块300、所述检测模块400和所述后退火模块500均整合于所述机台框架上，提高了键合效率。

所述激活模块200、所述键合模块300、所述检测模块400和所述后退火模块500均设有温度控制组件，所述温度控制组件包括电加热元件20。如图2所示，图2为本实用新型一实施例提供的温度控制组件的示意图，所述温度控制组件还包括热电偶、电源和控制器，所述热电偶用于检测所述电加热元件20加热后的温度，由于所述激活模块200、所述键合模块300、所述检测模块400和所述后退火模块500均设有温度控制组件，所述温度组件的所述热电偶和所述电加热元件20均设置在上述各个模块的腔室10中，方便提前对各个模块中的晶圆温度进行调整，且通过温度控制组件提供了高效精确的高温键合环境，有利于键合过程中工艺参数的控制，降低了工艺缺陷的风险，使得键合异种晶圆时存在的键合的热应力问题及薄膜转移问题得到解决，同时利用该设备实现了键合的检测，提高效率。

继续参考图1，在本实用新型一实施例中，所述晶圆键合装置还包括机械传动模块700，所述机械传动模块700设置于所述机台框架上，所述激活模块200、所述键合模块300、所述检测模块400和所述后退火模块500沿所述机械传动模块700周向设置，由此，方便所述机械传动模块700在所述激活模块200、所述键合模块300、所述检测模块400和所述后退火模块500之间进行晶圆的传送，提高了加工效率。具体地，所述机械传动模块700包括底座710，移动手臂720 和晶圆取放装置730，所述晶圆取放装置730与所述移动手臂720的末端连接，图10为本实用新型一实施例提供的晶圆取放装置的结构示意图，如图10所示，所述晶圆取放装置730包括与晶圆尺寸相匹配的晶圆抓取部，所述晶圆抓取部设有真空吸取组件，所述真空吸取组件用于吸起晶圆，所述移动手臂720通过5 所述晶圆取放装置在各个模块之间传送晶圆。

在本实用新型一实施例中，所述晶圆键合装置还包括清洗模块100，所述清洗模块100与所述机台框架连接。图3为本实用新型一实施例提供的清洗模块的结构示意图，如图3所示，所述清洗模块100包括有清洗槽体和清洗液，根据所述清洗液的成分不同可以实现不同的清洗模式，所述清洗模式包括但不限于有机物清洗、颗粒清洗和金属离子清洗等，本实用新型对此不作限定。具体地，待键合的晶圆，从机械传动模块700传输至清洗模块100，在经过包括有机物清洗、颗粒清洗、金属离子清洗组合中的至少一种后实现晶圆表面的清洗，从而有利于键合。

图4为本实用新型一实施例提供的激活模块的主视结构示意图，图5为本实用新型一实施例提供的激活模块的俯视结构示意图，如图4和图5所示，在本实用新型一实施例中，所述激活模块200还包括激活腔室201、顶电极202和支撑组件203，所述激活腔室201中设置所述电加热元件20、所述支撑组件203 和所述顶电极202。支撑组件203位于晶圆30底部，可以实现对晶圆30的支撑，实现在激活时的接地及施加射频功率，顶电极202在固定射频频率下施加功率，加速腔体中的等离子体气氛轰击晶圆30表面，实现晶圆30表面的激活。激活模块200可以通过顶电极202用等离子体、原子、惰性气体分子等轰击表面进行激活，以促使待激活晶圆表面出现更多悬挂键，实现极高的键合强度。具体地，利用机械传动模块700抓取晶圆至激活模块200，在激活腔室201中对晶圆 1和2分别进行键合表面的激活处理，在晶圆激活前，晶圆整体温度已由激活装置的温度控制组件逐渐调整至预设温度，且所述激活腔室201的气氛及压强等关键参数也可通过相应组件实现精确控制。随后将待键合晶圆由机械传动模块 700送至键合腔体中，其中待键合晶圆的激活面即上述表面激活装置中已进行表面活化处理的表面相对放置，用等离子体、原子、惰性气体分子等轰击表面进行激活，以促使待激活晶圆表面出现更多悬挂键，以为后续在键合腔室中实现高键合强度作准备。

图6为本实用新型一实施例提供的键合模块的主视结构示意图，如图6所示，在本实用新型一实施例中，所述键合模块300还包括键合腔室301和对准固定组件302，所述对准固定组件302设置于所述键合腔室301内，所述对准固定组件302在键合腔室301中通过对准固定组件302限制实现晶圆30的对准。

图7为本实用新型一实施例提供的键合模块的俯视结构示意图，如图7所示，在本实用新型一实施例中，所述键合模块300还包括活动固定组件303，所述活动固定组件303包括固定臂3031和活动臂3032，所述活动臂3032与所述固定臂3031铰接。所述活动固定组件303与所述对准固定组件302共同对所述晶圆进行限位。具体地，所述对准固定组件302用于抵靠所述晶圆的切边，所述活动固定组件303用于固定抵靠所述晶圆的边缘，所述活动臂3032用于活动抵接所述晶圆的边缘，通过上述对准，有利于实现带图案的晶圆间的精准键合。所述键合模块300还包括压力控制组件304，真空控制组件以及附属组件，附属组件可实现键合时腔体的气氛控制，真空控制组件可实现键合时的真空度的控制，压力控制组件304可实现键合时的压力控制，以实现键合晶圆时较为关键的参数的精确控制，主要包括晶圆的对准，键合时的温度、压力、气氛及压强大小。各项参数的精确控制有利于实现无缺陷晶圆键合及各种晶圆的键合制备。

在本实用新型一实施例中，所述键合模块300还包括缓冲腔，所述缓冲腔的数量为至少一个。具体地，所述缓冲腔靠近所述键合腔室301设置，每个所述缓冲腔与相邻的所述缓冲腔内的温度相比逐渐变小，且越靠近所述键合腔室 301的所述缓冲腔的温度越接近所述键合腔室301的温度，以降低从上一个所述缓冲腔转移出来的晶圆与周围环境的温差，从而减小晶圆所受热冲击的大小，避免键合晶圆在键合腔室内随腔体降温占用过多时间，提高装置的使用效率，减小键合片内的热应力，为键合晶圆表面形貌提供良好的键合环境。

在温度控制组件及真空控制组件的设定值到达后，通过压力控制组件对晶圆1和2施加压力促使二者紧密键合，成为键合晶圆。

将键合晶圆转移至检测模块400，检测模块400可以实现键合晶圆的实时检测，主要包括键合晶圆的对准检测和键合缺陷检测等，当键合工艺出现异常可及时反馈并调整键合相关参数。具体地，图8为本实用新型一实施例提供的检测模块的结构示意图，如图8所示，在本实用新型一实施例中，所述检测模块 400还包括检测台402和光学检测组件401，所述检测台402设有光发射结构，所述光发射结构用于发射红外光或可见光，以透过晶圆在所述光学检测组件401 上成像，方便根据成像情况判断晶圆的键合结果。具体地，将晶圆放置于温度合适的检测台上，通过光学检测模块400对键合晶圆的界面进行评估，判断键合成功。具体地，检测部分的红外光或可见光通过晶圆后在光学检测组件4017 实现对键合晶圆键合界面的成像判断是否存在缺陷，由此判断键合晶圆中是否成功键合。

在本实用新型一实施例中，参考图9，图9为本实用新型一实施例提供的后退火模块的结构示意图，所述后退火模块500设置有至少三个后退火腔室510，所述后退火腔室可以实现键合晶圆的加热退火，实现键合强度的增强，且经过离子注入的晶圆在合适的温度及时间退火后可以实现离子在晶圆特定厚度的聚集，实现晶圆沿离子聚集层分离的目的，即实现了晶圆剥离，所述后退腔室的温度、气氛及压强等关键参数可通过相应组件实现精确控制。在检测后判断键合成功的晶圆通过机械传动装置送至后退火部分，在合适的温度及气氛下实现晶圆剥离。检测后判断键合失败的晶圆送至晶圆周转部分进行放置以便进行后续处理。

继续参考图1，在本实用新型一实施例中，所述晶圆键合装置还包括晶圆周转模块600，所述晶圆周转模块600设置于所述机台框架上。所述晶圆周转模块 600用于放置键合晶圆，由此可以避免键合晶圆在键合腔室301内进行降温导致的对键合腔室301的长时间占用，降低键合腔室301的实际使用时间；同时又避免直接将高温键合晶圆从键合腔室301内取出后，与外界温差过大导致的过大的热冲击，造成键合晶圆的解键合或碎裂。在本实用新型一实施例中，所述晶圆周转模块设置至少三个晶圆周转腔室，通过将键合晶圆放置在所述晶圆周转腔室中，可以大大提高键合腔室的实际使用时间，从而提高高温键合的效率，降低工艺风险。

实施本实用新型，具有如下有益效果：本实用新型所述晶圆键合装置，包括清洗模块100、激活模块200、键合模块300、检测模块400、后退火模块500 整合在一起，提高了键合效率，且所述激活模块200、所述键合模块300、所述检测模块400和所述后退火模块500均设有温度控制组件，所述温度控制组件包括电加热元件20，方便提前对各个模块中的晶圆温度进行调整，使得上述各个模块之间的温度差限制预设温度范围内，具体地，所述预设温度范围可以是 0-20摄氏度。本实用新型所述晶圆键合装置在使得晶圆键合中前后工艺实现自动化整合，且通过温度控制组件提供了高效精确的高温键合装置，有利于键合过程中工艺参数的控制，降低了工艺缺陷的风险，使得键合异种晶圆时存在的键合的热应力问题及薄膜转移问题得到8解决，同时利用该设备实现了键合的检测，提高效率。

以上所揭露的仅为本实用新型的几个较佳实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型权利要求所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种晶圆键合装置，其特征在于，包括激活模块、键合模块、检测模块、后退火模块和机台框架；所述激活模块、所述键合模块、所述检测模块和所述后退火模块均设置于所述机台框架上；所述激活模块、所述键合模块、所述检测模块和所述后退火模块均设有温度控制组件，所述温度控制组件包括电加热元件。

2.根据权利要求1所述的晶圆键合装置，其特征在于，所述晶圆键合装置还包括机械传动模块，所述机械传动模块设置于所述机台框架上，所述激活模块、所述键合模块、所述检测模块和所述后退火模块沿所述机械传动模块周向设置。

3.根据权利要求2所述的晶圆键合装置，其特征在于，所述晶圆键合装置还包括清洗模块，所述清洗模块与所述机台框架连接。

4.根据权利要求1所述的晶圆键合装置，其特征在于，所述键合模块包括缓冲腔，所述缓冲腔的数量为至少一个。

5.根据权利要求1所述的晶圆键合装置，其特征在于，所述激活模块还包括激活腔室、顶电极和支撑组件，所述激活腔室中设置所述电加热元件、所述支撑组件和所述顶电极。

6.根据权利要求1所述的晶圆键合装置，其特征在于，所述键合模块还包括键合腔室和对准固定组件，所述对准固定组件设置于所述键合腔室内。

7.根据权利要求6所述的晶圆键合装置，其特征在于，所述键合模块还包括活动固定组件，所述活动固定组件包括固定臂和活动臂，所述活动臂与所述固定臂铰接。

8.根据权利要求1所述的晶圆键合装置，其特征在于，所述后退火模块设置有至少三个后退火腔室。

9.根据权利要求1所述的晶圆键合装置，其特征在于，所述晶圆键合装置还包括晶圆周转模块，所述晶圆周转模块设置于所述机台框架上。

10.根据权利要求9所述的晶圆键合装置，其特征在于，所述晶圆周转模块设置至少三个晶圆周转腔室。

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