一种真空卡盘以及键合设备的制作方法

本发明涉及集成电路制造领域，特别是涉及一种真空卡盘以及键合设备。

背景技术

随着微电子技术的不断进步，集成电路的特征尺寸不断缩小，互连密度不断提高，同时用户对高性能低耗电的要求不断提高。在这种情况下，靠进一步缩小互连线的线宽来提高性能的方式受到材料物理特性和设备工艺的限制，二维互连线的电阻电容(rc)延迟逐渐成为限制半导体芯片性能提高的瓶颈。

三维集成是将两个或多个功能相同或不同的芯片进行集成，以在保持芯片体积的同时能够大规模提高芯片的功能，三维集成工艺还能大幅度缩短功能芯片之间的金属互联，以有效地减小发热、功耗、延迟等性能。

晶圆与晶圆的键合工艺是三维集成工艺的核心重点，其中晶圆的键合扭曲度是衡量键合工艺的核心参数之一，由于晶圆的扭曲将影响后续光刻制程中的对准精度，使得后续制程键合晶圆的均一性较差，从而影响产品的性能。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种真空卡盘，以改善键合工艺中晶圆的键合扭曲度，从而提升产品的性能。

为了实现上述目的，本发明提供了一种真空卡盘，用于晶圆键合工艺，所述真空卡盘包括第一子卡盘和位于所述第一子卡盘上方的第二子卡盘，所述第一子卡盘包括第一吸附腔室，所述第一吸附腔室用于提供负压环境以吸附第一晶圆，所述第二子卡盘包括第二吸附腔室，所述第二吸附腔室用于提供负压环境以吸附第二晶圆，所述第一吸附腔室和第二吸附腔室均为圆盘状结构，所述第二吸附腔室朝向所述第一吸附腔室，所述第一吸附腔室的直径是所述第一晶圆的直径的0.7～0.95倍。

可选的，所述第一吸附腔室的直径是所述第一晶圆的直径的0.85～0.9倍。

可选的，所述第二吸附腔室的直径是所述第二晶圆的直径的0.98～0.99倍。

可选的，进行晶圆键合工艺时，所述第二吸附腔室的中轴线与第一吸附腔室的中轴线重叠。

可选的，所述第一子卡盘为圆形卡盘，所述第一子卡盘的面积大于所述第一晶圆的面积，所述第二子卡盘为圆形卡盘，所述第二子卡盘的面积大于所述第二晶圆的面积。

可选的，所述第二子卡盘还包括一通孔结构，所述通孔结构贯穿第二子卡盘且位于所述第二吸附腔室中心位置，用于提供从第二晶圆和第一晶圆一侧施加压力的通道。

可选的，所述第一子卡盘的材质为陶瓷，所述第二子卡盘的材质为陶瓷。

本发明还提供了一种键合设备，包括上述的真空卡盘。

可选的，还包括第一对准相机、第二对准相机和处理控制器，所述第一对准相机、第二对准相机、真空卡盘的第一子卡盘和第二子卡盘分别与处理控制器连接，所述第一对准相机与第二对准相机面对设置，所述真空卡盘置于所述第一对准相机与第二对准相机之间，所述处理控制器用于控制所述真空卡盘移动进行对准，还用于控制所述第一对准相机和第二对准相机进行对准，所述第一对准相机与第二对准相机用于反馈所述真空卡盘中键合晶圆之间的位置。

与现有技术相比，本发明所提供的一种真空卡盘，通过将第一吸附腔室的直径缩小为第一晶圆直径的0.7～0.95倍，以扩大第一晶圆边缘不被真空吸附的区域，由此可减小第一子卡盘对第一晶圆的吸附力，进而减小键合晶圆(即第一晶圆和第二晶圆)的键合扭曲度，特别是晶圆边缘的扭曲度，提高后续光刻制程中的对准精度，改善后续制程键合晶圆的均一性，从而提高产品的性能。

附图说明

图1为晶圆的键合扭曲度的示意图；

图2为本发明一实施例的晶圆边缘的扭曲度沿半径的分布图；

图3a和3b为本发明一实施例的真空卡盘的结构示意图。

附图说明：

1-键合晶圆；1a-键合晶圆的大部分区域；

100-第一晶圆；200-第二晶圆；

300-第一子卡盘；310-第一吸附腔室；

400-第二子卡盘；410-第二吸附腔室；420-通孔结构。

具体实施方式

晶圆键合时，键合晶圆的大部分区域的键合扭曲度相对平稳，例如是键合扭曲度≤70nm，键合晶圆的边缘区域的键合扭曲度则急剧变差，例如是键合扭曲度70nm～150nm。如图1所示，在键合晶圆的区域1a内的键合扭曲度相对平稳，在键合晶圆的大部分区域1a以外的键合扭曲度相对较差，其使得后续光刻制程中的对准精确度较低，以及后续制程键合晶圆的均一性较差，从而影响到产品的性能。另外，键合时，需要键合的第一晶圆和第二晶圆的不同区域在不同应力作用使得晶圆在不同区域具有不同的压缩型键合扭曲与拉伸型键合扭曲，影响了后续光刻制程中的对准精度，以及后续制程键合晶圆的均一性较差，从而影响了产品的性能。

基于上述研究，本发明提供一种真空卡盘，用于晶圆的键合工艺，通过缩小第一吸附腔室的直径，以扩大第一晶圆边缘不被真空吸附的区域，从而减小键合晶圆的键合扭曲度，提高后续光刻制程中的对准精度，改善后续制程键合晶圆的均一性，从而提高产品的性能。

为使本发明的目的、特征更明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

图3a和3b为本实施例的真空卡盘的结构示意图。如图3a和3b所示，本实施例提供一种真空卡盘，用于晶圆的键合工艺，该真空卡盘包括第一子卡盘300和位于所述第一子卡盘300上方的第二子卡盘400，所述第一子卡盘300包括第一吸附腔室310，所述第一吸附腔室310用于提供负压环境以吸附位于其上的第一晶圆100，所述第二子卡盘400包括第二吸附腔室410，所述第二吸附腔室410用于提供负压环境以吸附第二晶圆200。所述第二吸附腔室410朝向所述第一吸附腔室310。

所述第一晶圆100例如是包括第一衬底，所述第一衬底可以为硅衬底、氧化物衬底或氮化物衬底。所述第二晶圆200例如是包括与所述第一衬底对应的第二衬底，所述第二衬底可以为硅衬底、氧化物衬底或氮化物衬底。在键合工艺中，所述第二晶圆200例如为器件晶圆，所述器件晶圆上设置有器件结构，所述器件结构包括电容、电阻、电感、mos管、放大器或逻辑电路中的一个或多个；所述第一晶圆100为载体晶圆，所述载体晶圆上设置有电路结构，所述电路结构包括电容、电阻和逻辑电路组成的部分电路。由上可知，第一晶圆和第二晶圆键合时，可以实现硅衬底与氧化物的键合，氧化物与氧化物的键合，氮化物与氧化物的键合，或者金属与金属的键合等。

所述第一吸附腔室310例如是圆盘状结构，所述第一吸附腔室310的直径例如是所述第一晶圆100直径的0.7～0.95倍，优选的，所述第一吸附腔室310的直径是所述第一晶圆100的直径的0.85～0.9倍，例如是0.8倍、0.83倍、0.85倍、0.87倍、0.89倍、0.9倍。

由上可知，由于第一子卡盘对第一晶圆的吸附力与第一晶圆和第二晶圆之间键合时的键合方向相反，且与现有的第一吸附腔室的直径是第一晶圆直径的0.98～0.99倍相比，第一晶圆与第一吸附腔室的吸附面减小，即，扩大了第一晶圆边缘不被真空吸附的区域，使得第一晶圆和第二晶圆键合时减小了第一子卡盘对第一晶圆的吸附力，以减小了键合晶圆(即第二晶圆和第一晶圆)的拉伸型键合扭曲度，特别是晶圆边缘的扭曲度，提高后续光刻制程中的对准精度，改善后续制程键合晶圆的均一性，从而提高产品的性能。

所述第一子卡盘300例如是圆形卡盘，所述第一子卡盘300的面积大于所述第一晶圆100的面积，所述第一子卡盘300的材质例如是陶瓷。

所述第二吸附腔室410例如是圆盘状结构，所述第二吸附腔室410的直径例如是所述第二晶圆200直径的0.98～0.99倍。进行晶圆键合工艺时，所述第二吸附腔室410的中轴线与第一吸附腔室310的中轴线重叠。

所述第二子卡盘400例如是圆形卡盘，所述第二子卡盘400的材质例如是陶瓷。

在其他实施例中，所述第一子卡盘300和第二子卡盘400的形状也可以进行变换，其可以根据实际需求进行变换，只需满足第一晶圆可以完全置于第一子卡盘内，以及第二晶圆可以完全置于第二子卡盘内即可。

可选的，所述第二子卡盘400还包括一通孔结构420以及一门结构(图中未示出)，所述通孔结构420贯穿第二子卡盘400且位于所述第二吸附腔室410中心位置，使得晶圆键合时可以通过该通孔结构420通入一机械装置(例如是压力装置)(图中未示出)以从第二晶圆200和第一晶圆100的一侧，例如是上方对所述第二晶圆200和第一晶圆100的中心区域提供一压力。所述门结构位于所述通孔结构420的任意位置，例如是开口处，在机械装置通过所述通孔结构420进入第二吸附腔室410前打开门结构，在其进入后关闭门结构，以使得第二吸附腔室410在工作时保持封闭状态。可以理解的是，此处采用的结构与现有技术相同，因此，无需一一赘述。

当然，所述第二子卡盘400也可以不包括上述的通孔结构420，其只需要能够在第二晶圆200和第一晶圆100的中心区域提供一压力即可。

图2以采用两种不同的真空卡盘对两个12寸的晶圆键合为例，其中，图中的x轴表示晶圆半径，单位为mm；y轴表示键合扭曲度，单位为nm。图2中i图采用现有真空卡盘对晶圆键合后的键合扭曲度的离散图，图2中ii图采用本实施例真空卡盘对晶圆键合后的键合扭曲度的离散图。

由图2可以看出：采用现有的真空卡盘进行晶圆键合后，晶圆边缘区域的键合扭曲度最差为150nm，同时键合扭曲度≥70nm以及≤-70nm的数据较多，图中显示数量12个，而且在40～70nm以及-40～-70nm的键合晶圆中数据显示较为密集；采用本实施例的真空卡盘进行晶圆键合后，晶圆边缘区域的键合扭曲度有所改善，其最差为120nm，而且键合扭曲度≥70nm以及≤-70nm的数据较少，图中显示数量6个，而且在40～70nm以及-40～-70nm的键合晶圆中数据显示较为稀疏，大部分数据聚集在-40～40nm，特别是集中在-20～20nm。由上可知，经过缩小第一子卡盘的第一吸附腔室的直径，减小了第一子卡盘对第一晶圆的吸附力，有效减小了键合晶圆(即第二晶圆和第一晶圆)的键合扭曲度，特别是晶圆边缘的扭曲度。

同时，据统计，通过上述键合晶圆制备的产品，其中采用现有真空卡盘键合后制备的产品因键合后光刻对准精度差造成的不良率的均值为0.08％；采用了本实施例的真空卡盘键合后制备的产品因键合后光刻对准精度差造成的不良率的均值为0.02％。由上可知，通过本实施例的方案大大改善了由键合扭曲度较差造成产品不良率较高。

本实施例的第一晶圆和第二晶圆的键合工艺包括：首先，提供一负压环境，将第一子卡盘300和第二子卡盘400的吸附腔室抽真空，以使得所述第一晶圆100吸附在第一吸附腔室310上，第二晶圆200吸附在第二子卡盘400上；最后，键合第一晶圆100和第二晶圆200，通过第一晶圆100和第二晶圆200一侧的通孔结构的机械装置，其对第一晶圆100和第二晶圆200提供一压力，以使得第一晶圆100和第二晶圆200实现键合。

本实施例还提供一种键合设备，所述键合设备包括真空卡盘、第一对准相机、第二对准相机和处理控制器，所述第一对准相机、第二对准相机、真空卡盘的第一子卡盘和第二子卡盘分别与处理控制器连接，所述第一对准相机与第二对准相机面对设置，所述真空卡盘置于所述第一对准相机与第二对准相机之间，所述处理控制器用于控制所述真空卡盘移动进行对准，还用于控制所述第一对准相机和第二对准相机进行对准，所述第一对准相机与第二对准相机用于反馈所述真空卡盘中的键合晶圆之间的位置。

综上所述，本发明的一种真空卡盘，用于晶圆的键合工艺，通过将第一吸附腔室的直径缩小为第一晶圆直径的0.7～0.95倍，以扩大第一晶圆边缘不被真空吸附的区域，由此可减小第一子卡盘对第一晶圆的吸附力，进而减小键合晶圆(即第一晶圆和第二晶圆)的键合扭曲度，特别是晶圆边缘的扭曲度，提高后续光刻制程中的对准精度，改善所形成器件的均一性，从而提高产品的性能。

此外，需要说明的是，除非特别说明或者指出，否则说明书中的术语“第一”、“第二”的描述仅仅用于区分说明书中的各个组件、元素、步骤等，而不是用于表示各个组件、元素、步骤之间的逻辑关系或者顺序关系等。

可以理解的是，虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而上述实施例并非用以限定本发明。对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。