CN219873412U - 一种晶圆键合设备 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种晶圆键合设备，包括基座，基座设有晶圆装载系统、第一机械手传送模块，第一对准模块、第二机械手传送模块、涂胶模块、固胶模块、第二对准模块、键合模块和检测模块。本实用新型集成了晶圆键合的各个工艺于一个设备中，实现了晶圆键合的全自动化，模块间传输减少与外界环境接触，降低对晶圆的污染风险；提升了晶圆键合的效率；各个工艺模块之间不需要人工参与，减少人为误差和失误，降低人工成本。

Description

一种晶圆键合设备

技术领域

本实用新型涉及半导体技术领域，具体而言，涉及一种晶圆键合设备。

背景技术

随着半导体器件超高集成度、高性能化方向的发展，三维集成电路应运而生。临时键合是为薄或待变薄的晶圆提供机械支撑的必不可少的工艺过程，这对于三维集成电路、功率器件、晶圆和处理易碎基板(如化合物半导体)等半导体工艺至关重要。

晶圆临时键合工艺一般包括：晶圆输送、晶圆预对准、晶圆涂胶、晶圆固胶、晶圆对准、晶圆热压键合、晶圆冷却、TTV检测(晶圆总厚度偏差检测)以及晶圆键合片送回等工艺。

现有技术中，晶圆临时键合并非全自动化，还存在如下技术问题：第一、各个工艺模块之间人工参与，人为误差和失误引入几率增加；第二、模块间传输容易与外界环境接触，对工艺晶圆有污染风险；第三、生产效率低，人工成本高。

实用新型内容

本实用新型提供一种晶圆键合设备，用以解决现有技术中晶圆临时键合采用非全自动化，人工参与，存在晶圆有污染的风险，以及晶圆生产效率低，人工成本高的技术问题。

一种晶圆键合设备，包括基座，所述基座设有晶圆装载系统、第一机械手传送模块，第一对准模块；第二机械手传送模块、涂胶模块、固胶模块、第二对准模块、键合模块和检测模块，所述晶圆装载系统，用于存放待键合的第一晶圆、第二晶圆和/或经键合并检测后的晶圆对；所述第一机械手传送模块包括第一机械手，所述第一机械手用于从所述晶圆装载系统抓取所述第一晶圆和所述第二晶圆并输送至所述第一对准模块进行晶圆预对准；所述第二机械手传送模块包括第二机械手，所述第二机械手用于将完成预对准的所述第一晶圆和所述第二晶圆输送至所述涂胶模块进行涂胶处理，将完成涂胶处理的所述第一晶圆和所述第二晶圆输送至所述固胶模块进行固胶处理，将完成固胶处理的所述第一晶圆和所述第二晶圆输送至所述第二对准模块进行晶圆间对准，将对准的所述第一晶圆和所述第二晶圆输送至所述键合模块的键合腔室内进行键合处理成所述晶圆对；所述检测模块，用于检测由所述第一机械手和/或所述第二机械手输送至所述检测模块的所述晶圆对。

本实用新型提供的晶圆键合设备，集成了晶圆键合的各个工艺于一个设备中，实现了晶圆键合的全自动化，模块间传输减少与外界环境接触，降低对晶圆的污染风险；提升了晶圆键合的效率；各个工艺模块之间不需要人工参与，减少人为误差和失误，降低人工成本。

进一步地，所述晶圆装载系统、所述第一机械手传送模块、所述第一对准模块和所述检测模块位于所述基座的第一侧，所述键合模块位于所述基座的第二侧；所述第二机械手传送模块、所述涂胶模块、所述固胶模块和所述第二对准模块位于所述第一侧和所述第二侧之间，其中，所述第一侧和所述第二侧相对设置。

本实用新型提供的晶圆键合设备，结构紧凑，设备占地面积小。

进一步地，所述第二机械手传送模块位于所述第一侧和所述第二侧之间的中部，所述涂胶模块和所述第二对准模块相邻设于所述基座的第三侧；所述固胶模块设于所述基座的第四侧，其中，所述第一侧、所述第二侧、所述第三侧和所述第四侧分别位于所述基座的四周，所述第三侧和所述第四侧相对设置。

进一步地，所述固胶模块包括热板模块和冷板模块，所述热板模块用于对完成涂胶处理的所述第一晶圆和所述第二晶圆的涂胶进行加热匀化处理；所述冷板模块用于对完成加热匀化处理的所述第一晶圆和所述第二晶圆进行冷却固化处理。

进一步地，所述涂胶模块的数量至少为1对，所述热板模块的数量至少为1对，和/或所述冷板模块的数量至少为1对。

本实用新型提供的晶圆键合设备，通过限定涂胶模块、热板模块和冷板模块的数量至少为1对，实现同时对第一晶圆和第二晶圆的工艺处理，进而提高晶圆的键合效率。

进一步地，所述晶圆装载系统的数量至少为3个，分别用于存放所述第一晶圆、所述第二晶圆和所述晶圆对。

进一步地，所述基座还设有晶圆暂存模块，所述晶圆暂存模块与所述第一对准模块相邻，所述晶圆暂存模块用于暂存完成预对准的所述第一晶圆和所述第二晶圆和/或完成键合的所述晶圆对。

进一步地，所述第二机械手为双臂机械手。

进一步地，所述第二对准模块包括上卡盘、下卡盘和对准器，完成固胶处理的所述第一晶圆设于所述上卡盘，完成固胶处理的所述第二晶圆设于所述下卡盘，所述对准器用于对准所述第一晶圆和所述第二晶圆；所述第一晶圆和所述第二晶圆涂有涂胶的端面相对设置且二者之间具有一定间隙；所述下卡盘包括隔片和压紧件，所述隔片能够插入或抽出所述第一晶圆和所述第二晶圆之间；所述压紧件能够将所述第一晶圆、所述隔片和所述第二晶圆压紧于所述下卡盘上。

进一步地，所述基座还设有卡盘暂存模块，用于暂存所述晶圆对和/或对所述晶圆对进行冷却处理；和/或所述卡盘暂存模块位于所述基座的第四侧，且与所述固胶模块相邻。

附图说明

图1为本实用新型提供的晶圆键合设备的结构示意图；

附图标记说明：

1-晶圆存取区；11-晶圆装载系统；2-第一机械手传送区；21-第一机械手传送模块；3-第一对准区；31-第一对准模块；32-晶圆暂存模块；4-第二机械手传送区；41--第二机械手传送模块；5-涂胶区；51-涂胶模块；6-固胶区；61-固胶模块；7-第二对准区；71-第二对准模块；8-键合区；81-键合模块；9-检测区；91-检测模块；10-卡盘暂存区；101-卡盘暂存模块；

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图1对本实用新型的具体实施例做详细的说明。

参见附图1，本实用新型提供一种晶圆键合设备，包括基座，基座设有晶圆装载系统11、第一机械手传送模块21、第一对准模块31、第二机械手传送模块41、涂胶模块51、固胶模块61、第二对准模块71、键合模块81和检测模块91，晶圆装载系统11，用于存放待键合的第一晶圆、第二晶圆和/或经键合并检测后的晶圆对；第一机械手传送模块21包括第一机械手，第一机械手用于从晶圆装载系统11抓取第一晶圆和第二晶圆并输送至第一对准模块31进行晶圆预对准；第二机械手传送模块41包括第二机械手，第二机械手用于将完成预对准的第一晶圆和第二晶圆输送至涂胶模块51进行涂胶处理，将完成涂胶处理的第一晶圆和第二晶圆输送至固胶模块61进行固胶处理，将完成固胶处理的第一晶圆和第二晶圆输送至第二对准模块71进行晶圆间对准，将对准的第一晶圆和第二晶圆输送至键合模块81的键合腔室内进行键合处理成晶圆对；检测模块91，用于检测由第一机械手和/或第二机械手输送至检测模块91的晶圆对。

具体地，一种晶圆键合设备，包括基座，基座设有晶圆存取区1、第一机械手传送区2、第一对准区3、第二机械手传送区4、涂胶区5、固胶区6、第二对准区7、键合区8和检测区9；

晶圆存取区1设有晶圆装载系统11，用于存放待键合的第一晶圆、第二晶圆和/或经键合并检测后的晶圆对；

第一对准区3设有第一对准模块31；

第一机械手传送区2设有第一机械手传送模块21，第一机械手传送模块21包括第一机械手，第一机械手用于从晶圆装载系统11抓取第一晶圆和第二晶圆并输送至第一对准系统31进行晶圆预对准；

涂胶区5设有涂胶模块51；

固胶区6设有固胶模块61；

第二对准区7设有第二对准模块71；

键合区8设有键合模块81；

第二机械手传送区4设有第二机械手传送模块41，第二机械手传送模块41包括第二机械手，第二机械手用于将完成预对准的第一晶圆和第二晶圆输送至涂胶模块51进行涂胶处理，将完成涂胶处理的第一晶圆和第二晶圆输送至固胶模块61进行固胶处理，将完成固胶处理的第一晶圆和第二晶圆输送至第二对准模块71进行晶圆间对准，将对准的第一晶圆和第二晶圆输送至键合模块81的键合腔室内进行键合处理成晶圆对；

检测区9设有检测模块91，用于检测由第一机械手和/或第二机械手输送至检测模块91的晶圆对。

需要说明的是，晶圆装载系统11设有晶圆传送盒，第一晶圆、第二晶圆和/或键合并检测后的晶圆对。

需要说明的是，第一机械手可移动地设置在第一机械手传送区2，第一机械手传送模块21包括第一机械手和第一导轨，第一机械手的底座与第一导轨可滑动地连接。

第二机械手可移动地设置在第二机械手传送区4，第二机械手传送模块41包括第二机械手和第二导轨，第二机械手的底座与第二导轨可滑动地连接。

需要说明的是，键合模块包括压力盘装置，压力盘装置将第一晶圆和第二晶圆在一定的真空度、温度、压力和时间等工艺条件上施以一定的压力挤压在一起，其中，真空度、温度、压力和时间等工艺条件针对不同的键合胶工艺可由客户自行设定。

需要说明的是，晶圆存取区1、第一机械手传送区2、第二机械手传送区4、涂胶区5、固胶区6、第二对准区7、键合区8和检测区9，各区设置有对应工艺模块可独立运行，集成于一台自动化设备中，全封闭的整机微环境，在高过滤性FFU控制之下，使得整个临时键合工艺流程均在半导体级高洁净下自动操作完成，实现了晶圆键合的全自动化，各个工艺模块之间不需要人工参与，精度高，误差小，降低人工成本；模块间传输减少与外界环境接触，降低对晶圆的污染风险；提升了晶圆键合的效率。

因此，本实用新型提供的晶圆键合设备，集成了晶圆键合的各个工艺于一个设备中，实现了晶圆键合的全自动化，模块间传输减少与外界环境接触，降低对晶圆的污染风险；提升了晶圆键合的效率；各个工艺模块之间不需要人工参与，减少人为误差和失误，降低人工成本。

优选地，晶圆装载系统11、第一机械手传送模块21、第一对准模块31和检测模块91位于基座的第一侧，键合模块81位于基座的第二侧；第二机械手传送模块41、涂胶模块51、固胶模块61和第二对准模块71位于第一侧和第二侧之间，其中，第一侧和第二侧相对设置。

需要说明的是，也就是，晶圆存取区1、第一机械手传送区2、第一对准区3和检测区9位于基座的第一侧，键合区8位于基座的第二侧；第二机械手传送区4、涂胶区5、固胶区6和第二对准区7位于第一侧和第二侧之间，其中，第一侧和第二侧相对设置。

需要说明的是，第一机械手为前端机械手；第二机械手为后端机械手。

因此，本实用新型提供的晶圆键合设备，结构紧凑，设备占地面积小。

优选地，第二机械手传送模块41位于第一侧和第二侧之间的中部，涂胶模块51和第二对准模块71相邻设于基座的第三侧；固胶模块61设于基座的第四侧，其中，第一侧、第二侧、第三侧和第四侧分别位于基座的四周，第三侧和第四侧相对设置。

需要说明的是，也就是，第二机械手传送区4位于第一侧和第二侧之间的中部，涂胶区5和第二对准区7相邻设于基座的第三侧；固胶区6设于基座的第四侧，其中，第一侧、第二侧、第三侧和第四侧分别位于基座的四周，第三侧和第四侧相对设置。

需要说明的是，第一侧、第四侧、第二侧和第三侧沿顺时针方向或逆时针方向设置。

优选地，固胶模块61包括热板模块611和冷板模块612，热板模块611用于对完成涂胶处理的第一晶圆和第二晶圆的涂胶进行加热匀化处理；冷板模块612用于对完成加热匀化处理的第一晶圆和第二晶圆进行冷却固化处理。

优选地，涂胶模块51的数量至少为1对，热板模块611的数量至少为1对，和/或冷板模块612的数量至少为1对。

需要说明的是，晶圆临时键合工艺是将两片相同或不同材质的晶圆通过键合胶将二者粘合在一起的工艺。至少设置1对涂胶模块51、热板模块611、冷板模块612，可实现分别同时对第一晶圆和第二晶圆进行涂胶处理、涂胶加热匀化处理或冷却固化处理，之后第二机械手抓取经涂胶、固胶处理的第一晶圆和第二晶圆输送至第二对准模块71和键合模块81，达到提高晶圆键合的效率。

因此，本实用新型提供的晶圆键合设备，通过限定涂胶模块、热板模块和冷板模块的数量至少为1对，实现同时对第一晶圆和第二晶圆的工艺处理，进而提高晶圆的键合效率。

优选地，晶圆装载系统11的数量至少为3个，分别用于存放第一晶圆、第二晶圆和晶圆对。

优选地，基座还设有晶圆暂存模块32，晶圆暂存模块32与第一对准模块31相邻，晶圆暂存模块32用于暂存完成预对准的第一晶圆和第二晶圆和/或完成键合的晶圆对。

需要说明的是，也就是，预对准区3还设有晶圆暂存模块32，晶圆暂存模块32用于暂存完成预对准的第一晶圆和第二晶圆和/或完成键合的晶圆对。

优选地，第二对准模块71包括上卡盘、下卡盘和对准器，完成固胶处理的第一晶圆设于上卡盘，完成固胶处理的第二晶圆设于下卡盘，对准器用于对准第一晶圆和第二晶圆；第一晶圆和第二晶圆涂有涂胶的端面相对设置且二者之间具有一定间隙；下卡盘包括隔片和压紧件，隔片能够插入或抽出第一晶圆和第二晶圆之间；压紧件能够将第一晶圆、隔片和第二晶圆压紧于下卡盘上。

需要说明的是，第一晶圆和第二晶圆上下设置，第一晶圆由上卡盘真空吸附，第二晶圆由下卡盘真空吸附。对准器包括位置传感器、控制系统和运动平台，由位置传感器拾取第一晶圆和第二晶圆的边缘特征或标记，位置传感器与控制系统电连接，控制系统与运动平台电连接，上卡盘、下卡盘与运动平台可传动地连接，运动平台驱动上卡盘和下卡盘运动，完成第一晶圆和第二晶圆的晶圆间对准。下卡盘包括隔片和压紧件，晶圆间对准之后，第一晶圆被释放到下卡盘上，且第一晶圆和第二晶圆涂有涂胶的端面相对设置且二者之间具有一定间隙，由隔片隔离开，并由压紧件将第一晶圆、第二晶圆和隔片一同夹紧在下卡盘上。

优选地，第二机械手为双臂机械手。

需要说明的是，双臂机械手，其中一只为重载手，用于将第一晶圆、第二晶圆和下夹具一同从第二对准模块中运输到键合模块中。

优选地，基座还设有卡盘暂存模块101，用于暂存晶圆对和/或对晶圆对进行冷却处理；和/或卡盘暂存模块101位于基座的第四侧，且与固胶模块61相邻。

需要说明的是，也就是，基座还设有卡盘暂存区10，卡盘暂存区10设有卡盘暂存模块101，用于暂存晶圆对和/或对晶圆对进行冷却处理；和/或卡盘暂存区10位于基座的第四侧，且与固胶区6相邻。

本实用新型的工作原理：

第一机械手将第一晶圆和第二晶圆从设于晶圆装载系统11中的晶圆传送盒中取出并输送至第一对准模块31，进行寻找第一晶圆和第二晶圆圆心以及统一第一晶圆和第二晶圆缺口或切边角度的操作，即完成晶圆预对准；

第一机械手将完成预对准的第一晶圆和第二晶圆输送至晶圆暂存模块32上等待第二机械手将其取出并进入后续工艺模块；

第二机械手将第一晶圆和第二晶圆输送至涂胶模块51分别进行涂胶处理；

第二机械手将完成涂胶处理的第一晶圆和第二晶圆输送至固胶模块61进行固胶处理；具体地，机械手先将完成涂胶处理的第一晶圆和第二晶圆输送至热板模块进行涂胶的加热匀化处理；再将第一晶圆和第二晶圆输送至冷板模块进行冷却固化处理，降温至室温；

第二机械手将完成固胶处理的第一晶圆和第二晶圆输送至第一对准模块31，再次进行寻找第一晶圆和第二晶圆的圆心以及统一第一晶圆和第二晶圆缺口或切边角度的操作，再次完成晶圆预对准；

第二机械手将再次完成晶圆预对准的第一晶圆和第二晶圆输送至第二对准模块71进行晶圆间对准；完成晶圆间对准之后，第一晶圆被释放到下卡盘上，第一晶圆和第二晶圆涂有胶的端面相对设置且二者之间具有一定间隙，由隔片隔离开，并由压紧件将第一晶圆、第二晶圆和隔片一同夹紧在下卡盘上；

第二机械手将下卡盘、第一晶圆以及第二晶圆输送至键合模块81进行键合处理，具体地，依键合工艺，先将键合腔室抽真空至工艺真空度，同时加热升温至工艺温度；然后将隔片从第一晶圆和第二晶圆之间抽出，驱动压力盘装置使第一晶圆和第二晶圆完全贴合在一起；键合工艺完成后，撤除压力盘装置的压力并降温至室温；破真空之后，第二机械手将第一晶圆、第二晶圆和下卡盘一起取出；

或者，不降温至室温，降温至100℃左右就可以将其取出，第二机械手将第一晶圆、第二晶圆和下卡盘输送至卡盘暂存模块101进行冷却处理；

第二机械手将第一晶圆、第二晶圆和下卡盘输送至第二对准模块71上解除下卡盘上的压紧件，将完成键合的第一晶圆和第二晶圆，即晶圆对，输送至晶圆暂存模块32；

第一机械手将晶圆对输送至检测模块91，对晶圆对的各项指标进行检测；

第一机械手将检测完的晶圆对输送至晶圆装载系统11中的晶圆传送盒中。

虽然本实用新型披露如上，但本实用新型并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本实用新型的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (10)

1.一种晶圆键合设备，其特征在于，包括基座，所述基座设有晶圆装载系统(11)、第一机械手传送模块(21)、第一对准模块(31)、第二机械手传送模块(41)、涂胶模块(51)、固胶模块(61)、第二对准模块(71)、键合模块(81)和检测模块(91)，所述晶圆装载系统(11)，用于存放待键合的第一晶圆、第二晶圆和/或经键合并检测后的晶圆对；所述第一机械手传送模块(21)包括第一机械手，所述第一机械手用于从所述晶圆装载系统(11)抓取所述第一晶圆和所述第二晶圆并输送至所述第一对准模块(31)进行晶圆预对准；所述第二机械手传送模块(41)包括第二机械手，所述第二机械手用于将完成预对准的所述第一晶圆和所述第二晶圆输送至所述涂胶模块(51)进行涂胶处理，将完成涂胶处理的所述第一晶圆和所述第二晶圆输送至所述固胶模块(61)进行固胶处理，将完成固胶处理的所述第一晶圆和所述第二晶圆输送至所述第二对准模块(71)进行晶圆间对准，将对准的所述第一晶圆和所述第二晶圆输送至所述键合模块(81)的键合腔室内进行键合处理成所述晶圆对；所述检测模块(91)，用于检测由所述第一机械手和/或所述第二机械手输送至所述检测模块(91)的所述晶圆对。

2.根据权利要求1所述的晶圆键合设备，其特征在于，所述晶圆装载系统(11)、所述第一机械手传送模块(21)、所述第一对准模块(31)和所述检测模块(91)位于所述基座的第一侧，所述键合模块(81)位于所述基座的第二侧；所述第二机械手传送模块(41)、所述涂胶模块(51)、所述固胶模块(61)和所述第二对准模块(71)位于所述第一侧和所述第二侧之间，其中，所述第一侧和所述第二侧相对设置。

3.根据权利要求2所述的晶圆键合设备，其特征在于，所述第二机械手传送模块(41)位于所述第一侧和所述第二侧之间的中部，所述涂胶模块(51)和所述第二对准模块(71)相邻设于所述基座的第三侧；所述固胶模块(61)设于所述基座的第四侧，其中，所述第一侧、所述第二侧、所述第三侧和所述第四侧分别位于所述基座的四周，所述第三侧和所述第四侧相对设置。

4.根据权利要求1所述的晶圆键合设备，其特征在于，所述固胶模块(61)包括热板模块(611)和冷板模块(612)，所述热板模块(611)用于对完成涂胶处理的所述第一晶圆和所述第二晶圆的涂胶进行加热匀化处理；所述冷板模块(612)用于对完成加热匀化处理的所述第一晶圆和所述第二晶圆进行冷却固化处理。

5.根据权利要求4所述的晶圆键合设备，其特征在于，所述涂胶模块(51)的数量至少为1对，所述热板模块(611)的数量至少为1对，和/或所述冷板模块(612)的数量至少为1对。

6.根据权利要求1所述的晶圆键合设备，其特征在于，所述晶圆装载系统(11)的数量至少为3个，分别用于存放所述第一晶圆、所述第二晶圆和所述晶圆对。

7.根据权利要求1所述的晶圆键合设备，其特征在于，所述基座还设有晶圆暂存模块(32)，所述晶圆暂存模块(32)与所述第一对准模块(31)相邻，所述晶圆暂存模块(32)用于暂存完成预对准的所述第一晶圆和所述第二晶圆和/或完成键合的所述晶圆对。

8.根据权利要求1所述的晶圆键合设备，其特征在于，所述第二机械手为双臂机械手。

9.根据权利要求1所述的晶圆键合设备，其特征在于，所述第二对准模块(71)包括上卡盘、下卡盘和对准器，完成固胶处理的所述第一晶圆设于所述上卡盘，完成固胶处理的所述第二晶圆设于所述下卡盘，所述对准器用于对准所述第一晶圆和所述第二晶圆；所述第一晶圆和所述第二晶圆涂有胶的端面相对设置且二者之间具有一定间隙；所述下卡盘包括隔片和压紧件，所述隔片能够插入或抽出所述第一晶圆和所述第二晶圆之间；所述压紧件能够将所述第一晶圆、所述隔片和所述第二晶圆压紧于所述下卡盘上。

10.根据权利要求3所述的晶圆键合设备，其特征在于，所述基座还设有卡盘暂存模块(101)，用于暂存所述晶圆对和/或对所述晶圆对进行冷却处理；和/或所述卡盘暂存模块(101)位于所述基座的第四侧，且与所述固胶模块(61)相邻。