晶圆弹性应变测量装置、测量方法及晶圆键合方法与流程

本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种晶圆弹性应变测量装置、测量方法及晶圆键合方法。

背景技术

随着平面型闪存存储器的发展，半导体的生产工艺取得了巨大的进步。但是最近几年，平面型闪存的发展遇到了各种挑战：物理极限、现有显影技术极限以及存储电子密度极限等。在此背景下，为解决平面闪存遇到的困难以及追求更低的单位存储单元的生产成本，各种不同的三维(3d)闪存存储器结构应运而生，例如3dnor(3d或非)闪存和3dnand(3d与非)闪存。

其中，3dnand存储器以其小体积、大容量为出发点，将存储单元采用三维模式层层堆叠的高度集成为设计理念，生产出高单位面积存储密度、高效存储单元性能的存储器，已经成为新兴存储器设计和生产的主流工艺。

晶圆键合工艺由于能够实现三维器件更高层数的堆叠，因而引起了越来越多的关注。但是，由于晶圆键合工艺发展历史较短，键合工艺的良率受前制程影响较大，而目前对于前制程的监测系统并不完善，导致晶圆键合质量较差，严重影响三维存储器的性能。

因此，如何改善晶圆键合质量，确保三维存储器性能的稳定性，是目前亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明提供一种晶圆弹性应变测量装置、测量方法及晶圆键合方法，用以解决现有技术不能对键合前晶圆的弹性应变特性进行准确测量而导致的晶圆键合质量较差的问题，以确保三维存储器性能的稳定性。

为了解决上述问题，本发明提供了一种晶圆弹性应变测量装置，包括：

承载部，具有晶圆承载面和位于所述晶圆承载面的充气孔；

设置于所述承载部并围绕所述充气孔的固定部，所述固定部用于将晶圆的表面边缘固定并贴合在所述晶圆承载面上，使得在向所述充气孔内通入气体时能使晶圆发生形变并与所述晶圆承载面之间形成腔体；

检测部，用于测量通入气体后所述晶圆的形变量。

优选的，所述承载部为吸盘。

优选的，所述固定部为若干呈环状间隔排布的吸附孔。

优选的，所述吸附孔与所述承载部中心之间的距离为140mm～150mm。

优选的，还包括：位于所述晶圆承载面上的凹槽，所述充气孔位于所述凹槽的底部，所述固定部位于所述凹槽的外侧。

优选的，还包括：

传感器，用于检测所述腔体内的气压；

控制器，用于根据所述气压调整通入所述充气孔的气体量。

优选的，所述晶圆中具有至少一键合标记；所述检测部包括：

镜头，朝向所述晶圆承载面设置，用于识别所述键合标记，并获取与所述键合标记对应的所述镜头的焦距；

处理器，用于根据所述充气孔通入气体前后由所述键合标记确定的所述镜头的焦距计算所述晶圆的形变量。

优选的，至少一键合标记包括多个键合标记；所述检测部还包括：

支架，所述镜头安装于所述支架上并能够沿所述支架移动，以分别获取与多个所述键合标记一一对应的所述镜头的多个焦距。

优选的，还包括：外壳，所述固定部位于由所述外壳围绕而成的容纳腔内。

为了解决上述问题，本发明还提供了一种晶圆弹性应变测量方法，包括如下步骤：

提供一晶圆；

固定所述晶圆的边缘；

通过气体向所述晶圆的一侧表面施加压力，使所述晶圆发生形变；

测量所述晶圆的形变量。

优选的，所述晶圆中具有至少一键合标记；测量所述晶圆的形变量的具体步骤包括：

提供一镜头；

通过所述镜头搜索所述键合标记；

分别检测所述气体向所述晶圆的一侧表面施加压力前识别所述键合标记时所对应的所述镜头的第一焦距、以及所述气体向所述晶圆的一侧表面施加压力后识别所述键合标记时所对应的所述镜头的第二焦距；

根据所述第一焦距与所述第二焦距计算所述晶圆的形变量。

优选的，至少一键合标记包括多个键合标记；测量所述晶圆的形变量的具体步骤还包括：

分别测量与多个键合标记一一对应的晶圆形变量。

优选的，还包括如下步骤：

调整所述气体向所述晶圆一侧表面施加的压力，以测量所述晶圆在不同压力下的形变量。

为了解决上述问题，本发明还提供了一种晶圆键合方法，包括如下步骤：

提供两片预键合的晶圆；

分别检测两片晶圆的弹性应变特性，检测晶圆的弹性应变特性时将所述晶圆边缘固定，通过气体向所述晶圆的一侧表面施加压力，使所述晶圆发生形变，并测量所述晶圆的形变量；

至少调整一晶圆的键合前段制程，使得两片晶圆在相同压力下的形变量相等；

键合两片所述晶圆。

优选的，所述晶圆中具有至少一键合标记；测量所述晶圆的形变量的具体步骤包括：

提供一镜头；

通过所述镜头搜索所述键合标记；

分别检测所述气体向所述晶圆的一侧表面施加压力前识别所述键合标记时所对应的所述镜头的第一焦距、以及所述气体向所述晶圆的一侧表面施加压力后识别所述键合标记时所对应的所述镜头的第二焦距；

根据所述第一焦距与所述第二焦距计算所述晶圆的形变量。

优选的，至少一键合标记包括多个键合标记；测量所述晶圆的形变量的具体步骤还包括：

分别测量与多个键合标记一一对应的晶圆形变量。

优选的，分别检测两片晶圆的弹性应变特征还包括如下步骤：

调整所述气体向所述晶圆一侧表面施加的压力，以测量所述晶圆在不同压力下的形变量。

优选的，至少调整一晶圆的键合前段制程，使得两片晶圆在相同压力下的形变量相等的具体步骤包括：

形成弹性膜于一晶圆的所述一侧表面，改善所述晶圆的弹性应变特性，使得两片晶圆在相同压力下的形变量相等。

本发明提供的晶圆弹性应变测量装置、测量方法及晶圆键合方法，通过将晶圆边缘固定，并向晶圆的一侧表面施加压力，使晶圆发生形变，实现了对晶圆在特定压力下的形变量检测，从而能够对键合前晶圆的弹性应变特性进行准确的测量，提高了晶圆键合的质量，确保了三维存储器的性能。

附图说明

附图1是本发明具体实施方式中晶圆弹性应变测量装置充气前的结构示意图；

附图2是本发明具体实施方式中晶圆弹性应变测量装置充气后的结构示意图；

附图3是本发明具体实施方式中晶圆弹性应变测量方法的流程图；

附图4是本发明具体实施方式中晶圆键合方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的晶圆弹性应变测量装置及晶圆键合方法的具体实施方式做详细说明。

晶圆键合工艺由于其制程的特点，晶圆键合的前段制程对晶圆键合工艺良率的影响较大。具体来说，两片晶圆在进行键合工艺前经历不同的前段制程，当这两片晶圆到达实施晶圆键合工艺的站点时，两片晶圆在相同的压力下，其形变量往往并不相同。但是对于键合机台本身来说，由于其工艺条件的限制，往往无法准确的衡量两片晶圆在相同压力下各自的形变量；或者通过特定的工艺手段强行将两片晶圆的平均形变量调整为一致，但是这种强行调整的方式，必然导致两片晶圆在局部区域形变量差异的增大。因此，因无法准确度量晶圆的形变量导致晶圆键合质量较差。

为了解决这一问题，本具体实施方式提供了一种晶圆弹性应变测量装置，附图1是本发明具体实施方式中晶圆弹性应变测量装置充气前的结构示意图，附图2是本发明具体实施方式中晶圆弹性应变测量装置充气后的结构示意图。

如图1、图2所示，本具体实施方式提供的晶圆弹性应变测量装置，包括：承载部11、固定部111和检测部17。所述承载部11，具有晶圆承载面12和位于所述晶圆承载面12的充气孔112；所述固定部111设置于所述承载部11并围绕所述充气孔112，所述固定部111用于将晶圆13的表面边缘固定并贴合在所述晶圆承载面12上，使得在向所述充气孔112内通入气体时能使所述晶圆13发生形变并与所述晶圆承载面之间形成腔体20；所述检测部17，用于测量通入气体后所述晶圆13的形变量。

具体来说，所述晶圆弹性应变测量装置还包括外壳14，所述承载部11与所述固定部111位于由外壳14围绕而成的容纳腔10内。多个传输结构15贯穿所述承载部11、且能够沿竖直方向进行升降运动，以将所述晶圆13转移至所述承载部11的所述晶圆承载面12或者将所述晶圆13自所述承载部11的所述晶圆承载面12转移至外界。所述承载部11上具有围绕所述充气孔112设置的固定部111，所述固定部111用于将所述晶圆13的边缘固定并贴合在所述晶圆承载面12上，以防止在向所述充气孔112通入气体的过程中，所述晶圆13的位置发生移动，影响测量结果的准确度。在本具体实施方式中，由于仅将所述晶圆13的边缘固定并贴合于所述晶圆承载面12，因此，在向所述充气孔112内通入气体时，会向所述晶圆13的一侧表面施加气体压力，使得所述晶圆13发生形变，即使得所述晶圆13沿所述晶圆承载面12指向所述晶圆13的方向凸起，并在所述晶圆承载面12与所述晶圆13受到气体压力的一侧表面之间形成腔体20。通过对所述晶圆13在特定压力下的形变进行检测，可以准确获知所述晶圆13的弹性应变性能，以此为参考，对所述晶圆13的键合前制程进行调整，从而能够有效改善晶圆键合质量，确保三维存储器性能的稳定。

为了降低所述晶圆弹性应变测量装置的整体成本，优选的，所述承载部11为吸盘。

优选的，所述固定部111为若干呈环状间隔排布的吸附孔。具体来说，所述充气孔112位于所述承载部11的中心；若干呈环状间隔排布的吸附孔分布于所述承载部11边缘并围绕所述充气孔112设置。所述吸附孔利用真空吸附作用将所述晶圆13的边缘牢牢的吸附于所述晶圆承载面12上，一方面可以减少对晶圆表面的损伤，另一方面也可以有效避免所述腔体20中的气体自所述承载部11的边缘泄露，进一步提高了晶圆弹性应变测量的精准度。所述吸附孔的具体数量，本领域技术人员可以根据实际需要进行选择，一般来说，所述吸附孔的数量越多、孔径越小，测量的准确度越高，对所述晶圆13的吸附力也越强。

为了不影响所述晶圆13发生弹性形变，优选的，所述吸附孔与所述承载部11中心之间的距离为140mm～150mm。更优选的，所述吸附孔与所述承载部11中心之间的距离为147mm。

优选的，所述晶圆弹性应变测量装置，还包括：位于所述晶圆承载面12上的凹槽，所述充气孔112位于所述凹槽的底部，所述固定部111位于所述凹槽的外侧。

具体来说，如图1、图2所示，所述承载部11的所述晶圆承载面12上形成有一凹槽，所述充气孔112位于所述凹槽的底部，所述固定部位于所述凹槽的外侧，从而使得所述晶圆13边缘通过所述固定部111固定并贴合在所述晶圆承载面12上后，既使在未对所述充气孔112充气时，所述晶圆13的中部与所述晶圆承载面12之间也具有一较大的间隙区域，以便于对所述晶圆13的一侧表面施加气体压力。

为了进一步减少所述晶圆13与所述晶圆承载面12之间的接触面积，所述凹槽外侧的顶部具有一沿所述晶圆13指向所述晶圆承载面12方向延伸的凹陷113。当所述固定部111为若干呈环状间隔排布的吸附孔时，所述吸附孔与所述凹陷113的底部连通。

为了简化所述晶圆弹性应变测量装置的整体结构，优选的，所述晶圆弹性应变测量装置还包括：

传感器，用于检测所述腔体20内的气压；

控制器，用于根据所述气压调整通入所述充气孔112的气体量。

具体来说，所述晶圆弹性应变测量装置还包括管道16，所述管道嵌入所述充气孔112内，用于向所述充气孔112通入气体。其中，所述气体可以是氮气或者惰性气体。通过所述传感器能够实时监测所述腔体20内的气压，从而能够便捷、准确的得到所述晶圆13的形变量于施加于所述晶圆13上的压力之间的关系。同时，通过所述控制器调整所述腔体20内的气压，从而可以得到所述晶圆13在不同压力下的形变量，以更加全面的获知所述晶圆13的形变与压力之间的关系。

为了简化所述弹性应变测量装置的整体结构，并进一步提高测量的准确度，优选的，所述晶圆13中具有至少一键合标记131；所述检测部17包括：

镜头171，所述晶圆171朝向所述晶圆承载面12设置，用于识别所述键合标记131，并获取与所述键合标记131对应的所述镜头171的焦距；

处理器172，用于根据所述充气孔112通入气体前后由所述键合标记131确定的所述镜头171的焦距计算所述晶圆的形变量。

更优选的，至少一键合标记131包括多个键合标记131；所述检测部17还包括支架18，所述镜头171安装于所述支架18上并能够沿所述支架18移动，以分别获取与多个所述键合标记一一对应的所述镜头171的多个焦距。其中，多个所述键合标记131优选在所述晶圆13内均匀分布，从而能够更准确的测量得到所述晶圆13在特定压力下的整体形貌变化。

由于在向所述充气孔112通入气体后，所述晶圆13各部位发生的形变量可能不一致，所述键合标记131的设置，相当于提供了一个形变测试的参考点，通过检测充气前和充气后由所述键合标记131确定的所述镜头171的焦距，即可快速获知所述晶圆13的形变情况。

具体来说，所述键合标记131为设置于所述晶圆13内部的铜标记。所述镜头171在所述充气孔112通入气体前，沿所述支架18移动，所述镜头171采用发射红外线、并接收所述晶圆13反射的红外线的方式在所述晶圆13中寻找到所述键合标记131，并在找到所述键合标记131之后，自动调整所述镜头171与所述键合标记131之间的距离h1，即所述镜头171自动进行调焦，使得所述键合标记131在所述镜头171内成像最清晰，并获取此时所述镜头171的焦距。所述镜头171在向所述充气孔112通入气体后，沿所述支架18移动，再次通过发射红外线、并接收所述晶圆13反射的红外线的方式在所述晶圆13中寻找同一键合标记131，并在找到所述键合标记131后，再次进行自动调焦，即调整当前状态所述镜头171与所述键合标记131之间的距离h2，使得所述键合标记131在所述镜头171内成像最清晰，并获取此时所述镜头171的焦距。所述处理器172根据所述镜头171在充气前后以所述键合标记171确定的焦距，即可得到所述晶圆13的形变量。其中，所述检测部17不仅可以沿所述支架18在水平面内进行左右移动，还可以在所述水平面内进行前后移动，以寻找到所述晶圆13内部的多个键合标记131。

不仅如此，本具体实施方式还提供了一种晶圆弹性应变测量方法，附图3是本发明具体实施方式中晶圆弹性应变测量方法的流程图。如图3所示，本具体实施方式提供的晶圆弹性应变测量方法，包括如下步骤：

步骤s31，提供一晶圆；

步骤s32，固定所述晶圆的边缘；

步骤s33，通过气体向所述晶圆的一侧表面施加压力，使所述晶圆发生形变；

步骤s34，测量所述晶圆13的形变量。

在本具体实施方式中，可以先对单晶晶圆进行弹性应变测试，得到单晶晶圆在特定压力下的弹性应变特性，例如弯曲度值；然后对经过不同制程的晶圆分别进行弹性应变测试，从而反映出在晶圆键合前段制程中晶圆弹性模量的变化情况。其中，所述单晶晶圆是指未进行任何制程的晶圆。

优选的，所述晶圆中具有至少一键合标记；测量所述晶圆的形变量的具体步骤包括：

提供一镜头；

通过所述镜头搜索所述键合标记；

分别检测所述气体向所述晶圆的一侧表面施加压力前识别所述键合标记时所对应的所述镜头的第一焦距、以及所述气体向所述晶圆的一侧表面施加压力后识别所述键合标记时所对应的所述镜头的第二焦距；

根据所述第一焦距与所述第二焦距计算所述晶圆的形变量。

其中，根据所述第一焦距与所述第二焦距计算所述晶圆的形变量的具体方法，可以是根据所述第一焦距与所述第二焦距之间的差值反映所述晶圆的形变大小。

为了得到所述晶圆整体的弹性应变特性，优选的，至少一键合标记包括多个键合标记；测量所述晶圆的形变量的具体步骤还包括：

分别测量与多个键合标记一一对应的晶圆形变量。

优选的，所述晶圆弹性应变测量方法还包括如下步骤：

调整所述气体向所述晶圆一侧表面施加的压力，以测量所述晶圆在不同压力下的形变量。

不仅如此，本具体实施方式还提供了一种晶圆键合方法，附图4是本发明具体实施方式中晶圆键合方法的流程图，本具体实施方式中晶圆弹性应变测试的具体方法可参见图3。如图3、图4所示，本具体实施方式提供的晶圆键合方法，包括如下步骤：

步骤s41，提供两片预键合的晶圆；

步骤s42，分别检测两片晶圆的弹性应变特性，检测晶圆的弹性应变特性时将所述晶圆边缘固定，通过气体向所述晶圆的一侧表面施加压力，使所述晶圆发生形变，并测量所述晶圆的形变量；

步骤s43，至少调整一晶圆的键合前段制程，使得两片晶圆在相同压力下的形变量相等。其中，所述前段制程是指，所述晶圆在实施晶圆键合工艺前所进行的工艺制程。

步骤s44，键合两片所述晶圆。

本具体实施方式中，通过对预键合的两片晶圆进行弹性应变测试，从而分别获得两片晶圆所受到的压力与其形变量之间的关系。根据这一关系，对至少一片晶圆的前段制程工艺进行调整，使得在最终进行晶圆键合的过程中，两片晶圆在相同的压力下能够产生相等的形变量，实现更为精确的晶圆键合对准工艺，进一步减小线宽，提高晶圆键合质量，改善三维存储器的性能。

优选的，所述晶圆中具有至少一键合标记；测量所述晶圆的形变量的具体步骤包括：

提供一镜头；

通过所述镜头搜索所述键合标记；

分别检测所述气体向所述晶圆的一侧表面施加压力前识别所述键合标记时所对应的所述镜头的第一焦距、以及所述气体向所述晶圆的一侧表面施加压力后识别所述键合标记时所对应的所述镜头的第二焦距；

根据所述第一焦距与所述第二焦距计算所述晶圆13的形变量。

优选的，至少一键合标记包括多个键合标记；测量所述晶圆的形变量的具体步骤还包括：

分别测量与多个键合标记一一对应的晶圆13形变量。

优选的，分别检测两片晶圆的弹性应变特征还包括如下步骤：

调整所述气体向所述晶圆一侧表面施加的压力，以测量所述晶圆在不同压力下的形变量。

由于晶圆在进行键合工艺之前，需要经历成百上千道前段制程工艺，本领域技术人员可以通过调整某一前段制程工艺的条件、增加一制程工艺或者减少一制程工艺，来实现对键合前晶圆弹性应变特性的调整。为了进一步确保最终晶圆产品的性能，且降低晶圆键合的成本，优选的，至少调整一晶圆的键合前段制程，使得两片晶圆在相同压力下的形变量相等的具体步骤包括：

形成弹性膜于一晶圆的所述一侧表面，改善所述晶圆的弹性应变特性，使得两片晶圆在相同压力下的形变量相等。

本具体实施方式提供的晶圆弹性应变测量装置、测量方法及晶圆键合方法，通过将晶圆边缘固定，并向晶圆的一侧表面施加压力，使晶圆发生形变，实现了对晶圆在特定压力下的形变量检测，从而能够对键合前晶圆的弹性应变特性进行准确的测量，提高了晶圆键合的质量，确保了三维存储器的性能。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。