TWI633617B - 一種鍵合對準設備和方法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供的鍵合對準設備和方法中，壓盤組件包括一個第一承片台和一個可旋轉的第二承片台，若第一、第二承片台之間台面不平行，則旋轉第二承片台使得兩者的台面平行，然後將第一基片上載到第一承片台上，由於壓盤組件的一側設置了物鏡組，其可以觀察第一基片上的對準標記，然後將第二基片上載到第二承片台上，物鏡組觀察第二基片上的對準標記，根據物鏡組的觀察情況，移動兩個基片使得兩個基片的對準標記對準，則完成了兩個基片的鍵合對準。本發明先調整承片台，然後對準基片，無需設置過高精密的設備，減少了設備的複雜度，而且先調整承片台能夠確保對基片對準的全域精度的掌控，尤其能夠減少由於基片變形後鍵合所產生的楔形誤差。

Description

一種鍵合對準設備和方法
本發明有關於半導體領域，特別有關於一種鍵合對準設備和方法。
半導體製程中，常常會出現需要將兩片半導體元件鍵合在一起的製程。一般需要鍵合兩片晶圓、兩片玻璃或者一片玻璃與一片晶圓，為了方便描述，將需要鍵合的晶圓、玻璃等統稱為基片。習知技術中應用於半導體製程中的基片鍵合的配套設備，需要在鍵合進行之前將兩片基片進行對準。
近年來，對準兩片基片的精度要求越來越高，但隨著基片直徑的擴大以及越來越高的精度要求，傳統做法中可以忽視的誤差，比如機械運動時的誤差、基片變形造成的誤差，對於目前微米級及更高對準精度的影響越來越大，已到了能影響最終對準精度的地步。
為了改善對準精度，已知的做法是：使用兩個物鏡對（即總共四個物鏡）移動到基準位置後，先進行物鏡對的校準，這兩個物鏡對分別為上物鏡對和下物鏡對，之後將上基片和下基片分別臨時固定在上承片台和下承片台上，然後對上基片和下基片進行調平，再將上基片移到上物鏡對下，測量並記錄上基片兩個對準標記的位置；然後移開上基片，將下基片移到上物鏡對下，測量並記錄下基片兩個對準標記的位置；最後將上基片移到其最初的位置，並計算上基片的一對對準標記與下基片的一對對準標記之間的相對位置偏差，通過執行器使上基片和下基片作相對運動，使得兩對對準標記精確對準。該做法的對準精度完全建立在兩個物鏡對所檢測的兩片基片上對準標記的相對位置的精度上，這對於物鏡對的校準要求很高，而且在對準過程中基片移動造成的誤差無法控制。
還有一種做法能夠消除由於對準過程中基片移動造成的誤差，即，將上基片和下基片分別臨時固定在上承片台和下承片台上，然後將兩片基片分別調平，然後通過檢測裝置分別檢測兩片基片上對準標記的X-Y位置，並將其轉換到整機坐標系中，與上述做法不同的是，其通過至少10倍（優較佳為100倍）精度的位置檢測裝置來檢測上、下基片在整機坐標系中的位置，通過將上、下基片在移動過程中誤差控制在對準精度的1/10（較佳為1/100），以此最小化對準過程中基片移動造成的誤差，同時減小物鏡對的校準要求。該種方法雖然能夠很精確的對準兩個對準標記的相對位置，但增加了較多高精密感測器，增加了設備複雜度，且對於由基片變形等原因造成的基片全域誤差，尤其是兩個對準標記之外的區域的誤差無法檢測。
因此針對上述問題，有必要對習知的鍵合對準設備進行改良，避免出現上述問題。
為解決上述問題，本發明提出了一種鍵合對準設備和方法，用於解決上述問題。
為達到上述目的，本發明提供一種鍵合對準設備，用於將兩個基片鍵合，包括一壓盤組件和位於壓盤組件一側的一物鏡組，壓盤組件包括第一承片台和第二承片台，第一承片台和第二承片台的台面相對設置且可相對移動，第一承片台上承載第一基片，第二承片台上承載第二基片，第一承片台和第二承片台中的一個承片台為可旋轉結構，第一承片台和第二承片台中鄰近物鏡組的承片台由光線可透過的材質製成，物鏡組用於觀察壓盤組件內的第一和第二基片的對準情況，第一承片台和第二承片台根據物鏡組觀察到的對準情況進行相對移動。
較佳地，第一承片台為上承片台，第二承片台為下承片台。
較佳地，壓盤組件更包括與上承片台連接的上執行器或與下承片台連接的下執行器，上執行器用於帶動上承片台移動，下執行器用於帶動下承片台移動。
較佳地，可旋轉結構的承片台更設置有調平裝置，調平裝置用於帶動可旋轉結構的承片台旋轉。
較佳地，調平裝置包括均布於可旋轉結構的承片台下方的三個調平機構，三個調平機構中的每一個可調整自身高度，以帶動可旋轉結構的承片台相對於水平面旋轉。
較佳地，物鏡組位於下承片台下方，下承片台由光線可透過的材質製成。
較佳地，物鏡組位於上承片台上方，上承片台由光線可透過的材質製成。
較佳地，物鏡組電性連接一影像感測器，物鏡組觀察到的對準情況通過影像感測器成像。
較佳地，第一承片台更連接壓力感測器，用於檢測第一承片台上承受的壓力。
較佳地，所述鍵合對準設備更包括控制系統，連接上執行器、下執行器、調平裝置、影像感測器、物鏡組、壓力感測器，並控制上執行器、下執行器、調平裝置、物鏡組的運動。
本發明更提供一種鍵合對準方法，包括： 旋轉第二承片台，將用於承載第一基片的第一承片台與第二承片台台面調整為相互平行； 將第一基片上載至第一承片台上，通過物鏡組出射光束穿過由光線可透過的材質製成的第二承片台以尋找第一基片上的第一對準標記； 將第二基片上載至第二承片台上，通過物鏡組出射光束穿過第二承片台以尋找第二基片上的第二對準標記；使第一承片台和第二承片台作相對移動，使得第一對準標記與第二對準標記對準。
較佳地，第一對準標記與第二對準標記對準後，更包括使用物鏡組對對準情況進行檢測，若檢測不合格，則根據檢測得到的偏差繼續使第一承片台與第二承片台作相對移動直至第一對準標記和第二對準標記對準。
較佳地，將第一承片台和第二承片台台面調整為相互平行包括： 第一承片台相對於第二承片台作向下移動直至與第二承片台接觸，第二承片台在第一承片台的作用下旋轉； 使用壓力感測器實時檢測第一承片台對第二承片台施加的壓力；以及當壓力達到預設值時，使用調平裝置將第二承片台保持現有姿態不變，將第一承片台移動至原位。
與習知技術相比，本發明的有益效果是：本發明提供的鍵合對準設備和方法中，壓盤組件包括一個第一承片台和一個可旋轉的第二承片台，若第一、第二承片台之間台面不平行，則旋轉第二承片台使得兩者的台面平行，然後將第一基片上載到第一承片台上，由於壓盤組件的一側設置了物鏡組，其可以觀察第一基片上的對準標記，然後將第二基片上載到第二承片台上，物鏡組觀察第二基片上的對準標記，根據物鏡組的觀察情況，移動兩個基片使得兩個基片的對準標記對準，則完成了兩個基片的鍵合對準。本發明先調整承片台，然後對準基片，無需設置過高精密的設備，減少了設備的複雜度，尤其能夠檢測基片的全域對準誤差。此外，先調整承片台更能夠確保對基片對準的全域精度的掌控，尤其能夠減少由於基片變形後鍵合所產生的楔形誤差。
為使本發明的上述目的、特徵和優點能夠更加明顯易懂，下面結合圖式對本發明的實施方式做詳細的說明。
實施例一
請參照第1圖，本發明提供一種鍵合對準設備，用於將兩個基片鍵合，該鍵合對準設備具體包括一壓盤組件，該壓盤組件從上至下包括一個上執行器102和與上執行器102固定連接的上承片台103、台面與上承片台103相對設置的下承片台104、與下承片台104固定連接的調平裝置107、與調平裝置107固定連接的下執行器106，該上承片台103上還電路連接有一用於檢測其對下承片台104施加的壓力的壓力感測器101，上執行器102能夠帶動上承片台103在豎直方向上運動。
以水平方向為X軸方向，以豎直方向為Z軸，形成XZ平面，以垂直於XZ平面的方向為Y軸方向，建立XYZ三維坐標系。
請參照第2圖，與下承片台104固定連接的調平裝置107可以使下承片台104繞著X軸方向或者Y軸方向作旋轉。具體地，可將調平裝置107設置為關於下承片台104中均布的三個機構（較佳），三個機構可調整自身高度，使得各個機構呈現不同的高度，則固定在調平裝置107上的下承片台104會顯現出與水平面也就是XY平面相交的姿態。也就是說可以通過調整調平裝置107各個機構的高度，從而調整下承片台104在Rx和Ry方向上的角度。
物鏡組105安裝在下承片台104下方，為了配合物鏡組105的觀察，下承片台104使用光線可透過的材料，例如透明材質製成，這樣物鏡組105可以透過下承片台104觀察上承片台103與下承片台104之間的情況。
一般物鏡組105更連接一個影像感測器（未圖示），物鏡組105將其觀察到的情況發送至影像感測器成像，則可方便工作人員或者計算機系統對壓盤組件內兩個基片的對準情況的觀察。
物鏡組105更可包括光源（未圖示），通過光源發射的光束照射上承片台103或下承片台104。
本發明提供的鍵合對準設備更包括一控制系統（未圖示），該控制系統與上執行器102、下執行器106、調平裝置107、壓力感測器101、物鏡組105皆連接，控制系統根據影像感測器中成像的關於壓盤組件內兩個基片的對準情況與壓力感測器101檢測的壓力數值，控制上執行器102、下執行器106、調平裝置107以及物鏡組105的運動。
請參照第9圖，本發明更提供一種使用上述鍵合對準設備的鍵合對準方法，具體為：
請參照第1圖，上承片台103和下承片台104上還未上載基片時，上承片台103處於初始位置，接著上承片台103在上執行器102的作用下以固定的姿態向下運動，當上承片台103和下承片台104之間存在楔形誤差時，上承片台103的部分區域會先接觸到下承片台104，並給下承片台104一個向下的壓力，由於楔形誤差的存在，該向下的壓力會對下承片台104造成一個轉動力矩Mx、My，調平裝置107在受到該轉動力矩作用時，能夠被動調節下承片台104的姿態，也即通過使下承片台104圍繞X軸或者Y軸旋轉，直到下承片台104和上承片台103的姿態一致，此時，由於楔形誤差已經補償，由上述向下的壓力而產生的轉動力矩Mx、My相對於所圍繞的旋轉軸正好處於平衡，此時使用壓力感測器101對上承片台103進行檢測，直至檢測到上承片台103對下承片台104施加的壓力達到預設值後，保持下承片台104姿態能夠維持不變。
第2圖所示為調平裝置107調整下承片台104後的設備示意截面圖，此時下承片台104同上承片台103的姿態一致，並通過調平裝置107將下承片台104的姿態保持。之後上執行器102帶動上承片台103回到初始位置。
如第3圖所示，通過傳輸裝置（圖中未示出），比如機械傳輸手，將上基片301傳輸至上承片台103，並通過負壓，臨時固定於上承片台103上，上基片301上的第一對準標記302位於遠離上承片台103的方向，也就是其面對著下承片台104。
如第4圖所示，上承片台103在上執行器102的作用下，帶動臨時固定在上面的上基片301向下運動，使得第一對準標記302進入物鏡組105的焦深範圍內，由於下承片台104採用所用物鏡光源能夠穿透的透明材質，物鏡組105的光源發射的光束能夠穿透下承片台104來檢測位於上承片台103上的上基片301上的第一對準標記302。此時物鏡組105進行X、Y運動，找尋到第一對準標記302的位置並記錄下後，上執行器102向上運動，帶動上承片台103返回初始位置。
如第5圖所示，通過傳輸裝置，比如機械傳輸手，將下基片501傳輸至下承片台104，並通過負壓，臨時固定於下承片台104上，下基片501上的第二對準標記502位於遠離下承片台104的方向，也就是第二對準標記502面對著上基片301。當下基片501透明時，物鏡組105的光源發射的光束可以依次穿透下承片台104和下基片501來檢測第二對準標記502，當下基片501不透明時，物鏡組105需要採用紅外光，來穿透下基片501。也就是說，物鏡組105可以根據下基片501的材質來配備不同的光源。
如第6圖所示，物鏡組105進行X、Y向的運動，找尋到第二對準標記502的位置並記錄下，通過下執行器106，將第二對準標記502移動至第一對準標記302的位置上，之後上執行器102向下運動，帶動位於上承片台103上的上基片301向下運動，使得第一對準標記302和第二對準標記502同時位於物鏡105組的焦深範圍內，通過物鏡組105實時檢測第一對準標記302和第二對準標記502的相對位置，當第一對準標記302和第二對準標記502的相對位置由於移動過程有所偏移時，可以通過下執行器106來進行補償，最終完成兩片基片的對準。物鏡組105可以檢測兩對對準標記的對準結果，此外由於下承片台104採用所用物鏡光源能夠穿透的透明材質，物鏡組105可以檢測上基片301和下基片501上包括兩對對準標記在內的所有區域，能夠準確判定兩片基片是否已經對準，並以此為依據，控制下執行器106來補償兩片基片可能的偏移或控制上執行器102下降等措施來嘗試消除可能的偏移。
本實施例中，在對準過程中，物鏡組105一直跟蹤第一對準標記302和第二對準標記502的相對位置，並將第一對準標記302和第二對準標記502成像在影像感測器中，然後控制系統對影像感測器上成像的第一對準標記302和第二對準標記502的相對位置偏差進行檢測，第7圖為第一對準標記302和第二對準標記502的一種可能的相對位置偏差情況，並以此相對位置偏差為依據，控制下執行器106來調整固定在下承片台104上的下基片501，進而調整第一對準標記302和第二對準標記502的相對位置，直至精確對準，如第8圖所示。整個對準過程中根據物鏡組105的檢測結果來控制下執行器106的運動，可以補償對準時基片在移動過程中可能產生的誤差。
同時下承片台104在下基片501的整個區域內採用所用光源能夠穿透的透明材質，物鏡組可以在對準結束後對該相對位置偏差進行檢測，且物鏡組105可以觀測除第一對準標記302和第二對準標記502之外的其餘對準標記或特殊圖形的相對位置偏差，故除了能夠精確檢測第一對準標記302和第二對準標記502所在區域是否對準之外，更能通過檢測更多的對準標記來達到檢測上基片301和下基片501的全域對準精度。
實施例二
本實施例與實施例一的區別在於，物鏡組105位於上承片台103一側。請參照第10圖，上承片台103固定在上執行器102上，上承片台103採用所用光源能夠穿透的透明材質，調平裝置107同樣與下執行器106固定連接，下承片台104同樣固定在調平裝置107上，在外力作用下，下承片台104可以進行Rx、Ry兩個自由度的擺動。
請參照第11圖，上承片台103在上執行器102的作用下以固定的姿態向下運動，當壓力感測器101檢測上承片台103對下承片台104施加的向下的壓力達到預設值時，判定楔形誤差已經被補償，此時上執行器102停止運動，並通過調平裝置107保持下承片台104的姿態。
請參照第12圖至第15圖，將下基片501上載到下承片台104上，物鏡組105透過上承片台103可以觀察下基片501上的第二對準標記502，然後上載上基片301到上承片台103上，物鏡組105觀察上基片301上的第一對準標記302，對第一和第二對準標記的相對位置進行檢測。
本實施例中，物鏡組105放置在上承片台103的上方，可以避開空間約束較為緊張的調平裝置107所在的位置，使得調平裝置107可以更好地施展其對下承片台104的調控性能。
本發明先調整承片台，然後對準基片，無需設置過高精密的設備，減少了設備的複雜度，尤其能夠檢測基片的全域對準誤差。
本發明對上述實施例進行了描述，但本發明不僅限於上述實施例。顯然本領域具通常知識者可以對發明進行各種改動和變形而不脫離本發明的精神和範圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變形屬本發明申請專利範圍及其等同技術的範圍之內，則本發明也意圖包括這些改動和變形在內。
101‧‧‧壓力感測器
102‧‧‧上執行器
103‧‧‧上承片台
104‧‧‧下承片台
105‧‧‧物鏡組
106‧‧‧下執行器
107‧‧‧調平裝置
301‧‧‧上基片
302‧‧‧第一對準標記
501‧‧‧下基片
502‧‧‧第二對準標記
第1圖為本發明實施例一鍵合對準設備截面圖。 第2圖為本發明實施例一上下承片台對準的示意圖。 第3圖為本發明實施例一上載上基片的示意圖。 第4圖為本發明實施例一觀察上基片對準標記的示意圖。 第5圖為本發明實施例一上載下基片的示意圖。 第6圖為本發明實施例一觀察下基片對準標記的示意圖。 第7圖為本發明實施例一上下基片對準標記位置示意圖。 第8圖為本發明實施例一上下基片對準標記對準示意圖。 第9圖為本發明實施例一鍵合對準方法流程圖。 第10圖為本發明實施例二鍵合對準設備截面圖。 第11圖為本發明實施例二上下承片台對準的示意圖。 第12圖為本發明實施例二上載上基片的示意圖。 第13圖為本發明實施例二觀察上基片對準標記的示意圖。 第14圖為本發明實施例二上載下基片的示意圖。 第15圖為本發明實施例二觀察下基片對準標記的示意圖。

Claims (12)

  1. 一種鍵合對準設備，用於將兩個基片鍵合，其包括一壓盤組件和位於該壓盤組件一側的一物鏡組，該壓盤組件包括第一承片台和第二承片台，該第一承片台和該第二承片台的台面相對設置且可相對移動，該第一承片台上承載第一基片，該第二承片台上承載第二基片，該第一承片台和該第二承片台中的一個承片台為可旋轉結構，該第一承片台和該第二承片台中鄰近該物鏡組的承片台由光線可透過的材質製成，該物鏡組用於觀察該壓盤組件內的第一和第二基片的對準情況，該第一承片台和該第二承片台根據該物鏡組觀察到的該對準情況進行相對移動。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之鍵合對準設備，其中該第一承片台為上承片台，該第二承片台為下承片台。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之鍵合對準設備，其中該壓盤組件更包括與該上承片台連接的上執行器或與該下承片台連接的下執行器，該上執行器用於帶動該上承片台移動，該下執行器用於帶動該下承片台移動。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之鍵合對準設備，其中該可旋轉結構的承片台更設置有調平裝置，該調平裝置用於帶動該可旋轉結構的承片台旋轉。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之鍵合對準設備，其中該調平裝置包括均布於該可旋轉結構的承片台下方的三個調平機構，該三個調平機構中的每一個可調整自身高度，以帶動該可旋轉結構的承片台相對於水平面旋轉。
  6. 如申請專利範圍第2項所述之鍵合對準設備，其中該物鏡組位於該下承片台下方，該下承片台由光線可透過的材質製成。
  7. 如申請專利範圍第2項所述之鍵合對準設備，其中該物鏡組位於該上承片台上方，該上承片台由光線可透過的材質製成。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之鍵合對準設備，其中該物鏡組電性連接一影像感測器，該物鏡組觀察到的該對準情況通過該影像感測器成像。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之鍵合對準設備，其中該第一承片台更連接壓力感測器，用於檢測該第一承片台上承受的壓力。
  10. 一種鍵合對準方法，其包括： 旋轉第二承片台，將用於承載第一基片的第一承片台與該第二承片台台面調整為相互平行； 將該第一基片上載至該第一承片台上，通過物鏡組出射光束穿過由光線可透過的材質製成的該第二承片台以尋找該第一基片上的第一對準標記； 將第二基片上載至該第二承片台上，通過該物鏡組出射光束穿過該第二承片台以尋找該第二基片上的第二對準標記； 使該第一承片台和該第二承片台作相對移動，使得該第一對準標記與該第二對準標記對準。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之鍵合對準方法，其中該第一對準標記與該第二對準標記對準後，更包括使用該物鏡組對對準情況進行檢測，若檢測不合格，則根據檢測得到的偏差繼續使該第一承片台與該第二承片台作相對移動直至該第一對準標記和該第二對準標記對準。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之鍵合對準方法，其中將該第一承片台和該第二承片台台面調整為相互平行包括： 該第一承片台相對於該第二承片台作向下移動直至與該第二承片台接觸，該第二承片台在該第一承片台的作用下旋轉； 使用壓力感測器實時檢測該第一承片台對該第二承片台施加的壓力；以及 當壓力達到預設值時，使用調平裝置將該第二承片台保持現有姿態不變，將該第一承片台移動至原位。
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