一种芯片键合装置及键合方法与流程

本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种芯片键合装置及键合方法。

背景技术：

倒装芯片键合工艺是将芯片与载片连接形成的一种互连形式。由于电子产品朝着轻、薄和小型化的方向发展，使得芯片键合技术的应用日益增多，将芯片键合工艺与晶圆级封装工艺相结合，能够制作出封装尺寸更小、性能更高的封装形式。另外，由于能够事先知道芯片的kgd(knowgooddie，知道合格芯片)，如果将芯片键合工艺与硅通孔(tsv)工艺相结合，能够制作出成本和性能更有竞争力的三维立体结构。

现有的芯片倒装键合设备，是通过与芯片尺寸大小匹配的吸头将单个芯片从源端拾取后，再通过机器对准系统将芯片与载片的对准标记对准后，直接将芯片压合在基底上形成互连。由于整个工艺流程都是串行完成，对于下压键合时间长的工艺，产率非常低，难以满足量产需求，同时键合精度较差。

图1是倒装芯片键合工艺流程示意图，如图1所示，预键合芯片2以器件面3向上的方式放置在承载台1上，采用机械手抓取和翻转的方式将键合芯片2接合到基底4上，键合芯片的间距l可根据不同工艺需求调整。现有的倒装芯片键合方案示意图如图2所示，首先通过翻转机械手5拾取一颗承载台1上的芯片并进行翻转，再将芯片交接给转机械手6，机械手6运动到基底4上方后，通过ccd7将芯片正面的对准标记和基底4上的对准标记进行对准后将芯片下压完成键合。该方案的缺点是：整个工艺流程都是串行完成，对于下压键合时间长的工艺(例如30秒)，由于一次只能键合一颗芯片，使得产率非常低，难以满足量产需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种芯片键合装置及键合方法，采用一种直接拾取和键合的翻转装置，同时采用测量系统同步测量芯片和基底对准位置，使得键合产率提高，通过调整运动台姿态实现高精度的键合。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种芯片键合装置，包括一种测量系统，所述测量系统在芯片与基底键合时能够同时测量芯片标记与基底标记的位置，所述测量系统包括第一测量支路和第二测量支路，所述第一测量支路包括第一照明单元和第一探测单元，所述第一照明单元分别向所述芯片标记与基底标记提供光源，所述第一探测单元相应地分别将所述芯片标记与基底标记成像并测量其位置，所述第二测量支路包括第二照明单元和第二探测单元，所述第二照明单元与所述第一照明单元完全相同，所述第二探测单元与所述第一探测单元完全相同；其中，所述芯片标记与基底标记均包括相互正交的x向标记与y向标记，所述第一照明单元与第一探测单元匹配探测所述芯片标记与基底标记的x向标记的位置，所述第二照明单元与第二探测单元匹配探测所述芯片标记与基底标记的y向标记的位置。

可选的，所述第一测量支路的光轴在所述基底标记上的投影与所述y向标记平行，所述第二测量支路的光轴在所述基底标记上的投影与所述x向标记平行。

可选的，所述第一照明单元包括宽带光源、照明镜组、分光棱镜、第一成像光路及第二成像光路，所述宽带光源发出的光束经所述照明镜组之后，通过所述分光棱镜分成第一光束和第二光束，所述第一光束经过所述第一成像光路后入射至所述芯片标记，所述第二光束经过所述第二成像光路后入射至所述基底标记。

可选的，所述第一成像光路沿光路依次包括第一反射镜和第一透镜组，所述第二成像光路沿光路依次包括第二反射镜、第三反射镜及第二透镜组。

可选的，所述第一探测单元包括第一成像后组、第二成像后组与探测器，经所述芯片标记反射的所述第一光束经过所述第一成像后组成像至所述探测器上，经所述基底标记反射的所述第二光束经过所述第二成像后组成像至所述探测器上；所述探测器输出的图像经过图像处理之后，获得所述芯片标记与所述基底标记的位置信息。

可选的，所述的芯片键合装置还包括：用于承载芯片的第一运动台，用于承载基底的第二运动台，用于实现芯片抓取和翻转的翻转装置以及控制系统，所述控制系统用于控制所述第一运动台、第二运动台与翻转装置的运动，以及控制所述测量系统的测量。

可选的，所述第一运动台与第二运动台在竖直方向上相对放置。

可选的，所述翻转装置包括第一吸附机构、第二吸附机构、第一翻转机构及第二翻转机构；所述第一吸附机构从所述第一运动台上吸附芯片后，利用所述第一翻转机构翻转面向所述第二吸附机构，并与所述第二吸附机构对所述芯片进行交接，所述第二吸附机构通过所述第二翻转机构翻转面向所述第二运动台上的基底。

可选的，所述第一运动台与第二运动台在水平方向上并排放置。

可选的，所述翻转装置包括第一吸附机构、第二吸附机构及第一翻转机构；所述第一吸附机构从所述第一运动台上吸附芯片后，利用所述第一翻转机构翻转面向所述第二吸附机构，并与所述第二吸附机构对所述芯片进行交接，使所述芯片面向所述第二运动台上的基底。

可选的，所述翻转装置还包括驱动机构，所述驱动机构与所述第二吸附机构连接，驱动所述第二吸附机构上的芯片运动。

可选的，所述第一吸附机构和第二吸附机构的吸附方式为真空吸附或静电吸附。

本发明还提供一种芯片键合方法，包括以下步骤：

步骤s01：第一运动台将芯片运动到第一交接位，翻转装置吸附并翻转所述芯片使所述芯片面向第二运动台上的基底，之后驱动所述芯片上的芯片标记运动至测量系统的焦面位置，所述第二运动台将基底上的基底标记运动至测量系统的焦面位置；

步骤s02：所述测量系统的照明单元分别向所述芯片标记与基底标记提供光源，探测单元相应地分别将所述芯片标记与基底标记成像并测量其位置，通过对所述芯片标记和所述基底标记的成像进行处理，得到所述芯片标记与所述基底标记的位置信息；

步骤s03：根据所述位置信息调整所述第二运动台的姿态，使得基底位置与 芯片位置对准；

步骤s04：将所述芯片键合到基底上。

可选的，步骤s01中所述翻转装置吸附并翻转所述芯片具体包括：将所述第一运动台与第二运动台在竖直方向上相对放置；所述翻转装置包括第一吸附机构、第二吸附机构、第一翻转机构及第二翻转机构；所述第一吸附机构从所述第一运动台上吸附芯片后，利用所述第一翻转机构翻转面向所述第二吸附机构，并与所述第二吸附机构对所述芯片进行交接，所述第二吸附机构通过所述第二翻转机构翻转面向所述第二运动台上的基底。

可选的，步骤s01中所述翻转装置吸附并翻转所述芯片具体包括：将所述第一运动台与第二运动台在水平方向上并排放置，所述翻转装置包括第一吸附机构、第二吸附机构及第一翻转机构；所述第一吸附机构从所述第一运动台上吸附芯片后，利用所述第一翻转机构翻转面向所述第二吸附机构，并与所述第二吸附机构对所述芯片进行交接，之后所述翻转装置水平运动使所述芯片面向所述第二运动台上的基底。

可选的，在所述第二吸附机构通过所述第二翻转机构翻转面向所述第二运动台上的基底的过程中，可以同时进行以下步骤：所述第一运动台将下一芯片运动到第一交接位，所述第一吸附机构吸附芯片。

可选的，在步骤s02中，所述芯片标记与基底标记均包括相互正交的x向标记与y向标记，所述照明单元包括第一照明单元和第二照明单元，所述探测单元包括第一探测单元和第二探测单元，所述第一照明单元与第一探测单元匹配探测所述芯片标记与基底标记的x向标记的位置，所述第二照明单元与第二探测单元匹配探测所述芯片标记与基底标记的y向标记的位置。

可选的，所述第一照明单元的光轴在所述基底标记上的投影与所述y向标记平行，所述第二照明单元的光轴在所述基底标记上的投影与所述x向标记平行。

与现有技术相比，本发明所提供的芯片键合装置及键合方法的有益效果如下：

1、本发明通过在测量系统中设置两个照明单元与两个探测单元，第一照明单元与第一探测单元匹配探测芯片与基底上x向标记的位置，第二照明单元与 第二探测单元匹配探测芯片与基底上y向标记的位置，从而同步测量芯片标记和基底标记的位置，节省了测量时间，并且通过对x向和y向标记的分开测量，消除了垂向测量信号对水平向测量信号的串扰，提高了测量的精度；

2、本发明提供的芯片键合装置，通过翻转装置的设置，可直接从第一运动台上吸附芯片并实现芯片的翻转，同时通过测量系统的设置，同步测量芯片标记和基底标记的位置，从而在两个方面提高键合产率，并且通过调整第二运动台的姿态实现了高精度的键合。

附图说明

图1为现有的倒装芯片键合工艺流程示意图。

图2为现有的倒装芯片键合方案示意图。

图3为本发明实施例一所提供的测量系统的结构示意图。

图4为本发明实施例一所提供的第一照明单元与第一探测单元的结构示意图。

图5为本发明实施例一所提供的第二照明单元与第二探测单元的结构示意图。

图6为本发明实施例一所提供的芯片键合装置的结构示意图。

图7为本发明实施例一所提供的芯片键合方法的流程图。

图8～13为本发明实施例一所提供的芯片键合方法的各步骤结构示意图。

图14本发明实施例二所提供的芯片键合装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的内容更加清楚易懂，以下结合说明书附图，对本发明的内容做进一步说明。当然本发明并不局限于该具体实施例，本领域的技术人员所熟知的一般替换也涵盖在本发明的保护范围内。

其次，本发明利用示意图进行了详细的表述，在详述本发明实例时，为了便于说明，示意图不依照一般比例局部放大，不应对此作为本发明的限定。

本发明的核心思想是：通过在测量系统中设置两个照明单元与两个探测单元，第一照明单元与第一探测单元匹配探测芯片与基底上x向标记的位置，第 二照明单元与第二探测单元匹配探测芯片与基底上y向标记的位置，从而同步测量芯片标记和基底标记的位置，节省了测量时间，并且通过对x向和y向标记的分开测量，消除了垂向测量信号对水平向测量信号的串扰，提高了测量的精度。

【实施例一】

请参考图3，其为本发明实施例一所提供的测量系统的结构示意图，所述测量系统在芯片和基底键合时能够同时测量芯片标记与基底标记的位置。如图3所示，所述测量系统10包括：第一测量支路和第二测量支路，所述第一测量支路包括第一照明单元11与第一探测单元12，所述第一照明单元11分别向所述芯片标记和基底标记提供光源，所述第一探测单元12相应的分别将所述芯片标记和基底标记成像并测量其位置，所述第二测量支路包括第二照明单元13和第二探测单元14，所述第二照明单元13与所述第一照明单元11完全相同，所述第二探测单元14与所述第一探测单元12完全相同；其中，所述芯片标记与基底标记均包括相互正交的x向标记与y向标记，所述第一照明单元11用于提供芯片标记与基底标记中x向标记的照明光源，所述第二照明单元13用于提供芯片标记与基底标记中y向标记的照明光源，所述第一探测单元12用于将x向标记成像并测量其位置，所述第二探测单元14用于将y向标记成像并测量其位置；所述第一照明单元11与第一探测单元12匹配探测所述芯片标记与基底标记的x向标记的位置，所述第二照明单元13与第二探测单元14匹配探测所述芯片标记与基底标记的y向标记的位置。

本实施例中，所述第一照明单元11与第一探测单元12对称分布于x向标记的两侧，所述第二照明单元13与第二探测单元14对称分布于y向标记的两侧；所述第一测量支路的光轴在所述基底标记上的投影与所述y向标记平行，所述第二测量支路的光轴在所述基底标记上的投影与所述x向标记平行。

图4为第一照明单元11与第一探测单元12的结构示意图，请参照图4所示，所述第一照明单元11包括宽带光源111、照明镜组112、分光棱镜113、第一成像光路与第二成像光路，所述第一成像光路由第一反射镜114与第一透镜组115组成，所述第二成像光路由第二反射镜116、第三反射镜117与第二透镜组118组成。所述宽带光源111发出的光束经所述照明镜组112之后，通过所述 分光棱镜113分成第一光束a和第二光束b，所述第一光束a经过所述第一成像光路后入射至所述芯片x向标记，所述第二光束b经过所述第二成像光路后入射至所述基底x向标记。所述第一探测单元12包括第一成像后组121、第二成像后组122与探测器123，经所述芯片x向标记反射的所述第一光束a经过所述第一成像后组121成像至所述探测器123上，经所述基底x向标记反射的所述第二光束b经过所述第二成像后组122成像至所述探测器123上；所述探测器123输出的图像经过图像处理之后，获得所述芯片x向标记与所述基底x向标记的位置信息。

图5为第二照明单元13与第二探测单元14的结构示意图，其和第一照明单元11与第二照明单元12的结构示意图相同。通过第二照明单元13与第二探测单元14获得芯片y向标记与基底y向标记y向的位置信息，从而得到芯片标记与基底标记的位置信息。

本发明提供的测量系统能够同步测量芯片标记和基底标记的位置，节省了测量时间，并且通过对x向和y向标记的分开测量，消除了垂向测量信号对水平向测量信号的串扰，提高了测量的精度；并且通过两个正交支路，达到x向和y向对准探测的目的。

可以理解的是，本发明提供的测量系统不局限于本实施例所列举的用于同步测量芯片标记和基底标记的位置，还可以应用于其他产品标记的测量，例如基板对位时上下两个基板标记的测量。

本发明提供一种芯片键合装置，采用上述的测量系统。

请参考图6，其为本发明实施例所提供的芯片键合装置的结构示意图。如图6所示，所述芯片键合装置主要包括：用于承载芯片20的第一运动台30，用于承载基底50的第二运动台60，用于实现芯片20抓取和翻转的翻转装置40以及控制系统70，所述控制系统70用于控制所述第一运动台30、第二运动台60与翻转装置40的运动，以及控制所述测量系统10的测量。所述第一运动台30与第二运动台50均可用于多个自由度运动。

所述第一运动台30与第二运动台60在竖直方向上相对放置，本实施例中，所述第一运动台30放置于所述第二运动台60的上方，因此，所述芯片20放置于所述第一运动台30的下方，所述基底50放置于所述第二运动台60的上方。 在所述第一运动台30与芯片20之间还设置有载片31，在芯片20的下表面设置有芯片标记21，在基底50上设置有基底标记。

所述翻转装置40包括第一吸附机构411、第二吸附机构412、第一翻转机构421及第二翻转机构423；所述第一吸附机构411从所述第一运动台30上吸附芯片20后，利用所述第一翻转机构421翻转面向所述第二吸附机构412，并与所述第二吸附机构412对所述芯片20进行交接，所述第二吸附机构412通过所述第二翻转机构422翻转面向所述基底50，。本实施例中，所述第一吸附机构411与第二吸附机构412平行放置。所述翻转装置40还包括驱动机构424，与所述第二翻转机构423固定连接，两者能够同时进行多自由度运动或独立运动。所述第一吸附机构411与第二吸附机构412的吸附方式为真空吸附或静电吸附。

本发明提供的芯片键合装置，通过翻转装置40的设置，可直接从第一运动台30上吸附芯片20并实现芯片的翻转，同时通过测量系统10的设置，同步测量芯片标记21和基底标记的位置，从而在两个方面节省键合时间，提高了键合产率，并且可以通过调整第二运动台60的姿态实现高精度的键合。

请参考图7所示，其为本发明实施例一所提供的一种芯片键合方法的流程图，如图7所示，本发明提供的芯片键合方法包括以下步骤：

步骤s01：第一运动台将芯片运动到第一交接位，翻转装置吸附并翻转所述芯片使所述芯片面向第二运动台上的基底，之后

将所述芯片上的芯片标记运动至测量系统的焦面位置，所述第二运动台将所述基底上的基底标记运动至测量系统的焦面位置；

步骤s02：所述测量系统的照明单元分别向所述芯片标记与基底标记提供光源，探测单元相应地分别将所述芯片标记与基底标记成像并测量其位置，通过对所述芯片标记和所述基底标记的成像进行处理，得到所述芯片标记与所述基底标记的位置信息；

步骤s03：根据所述位置信息调整所述第二运动台的姿态，使得基底位置与芯片位置对准；

步骤s04：将所述芯片键合到基底上。

本实施例所提供的芯片键合方法采用该实施例所述的芯片键合装置进行芯片键合。图8～13为本发明实施例所提供的芯片键合方法中各步骤的结构示意图， 请参考图7所示，并结合图8～图13，详细说明本发明提出的芯片键合方法：

步骤s01：第一运动台30将芯片20运动到第一交接位，所述第一吸附机构411吸附所述芯片20，此时芯片标记21位于所述芯片20的下方，如图8所示。本实施例中，所述第一交接位为所述第一吸附机构411正上方。所述翻转装置40只进行竖直方向的运动，因此第一运动台30需要将需要键合的芯片20运动到所述第一吸附机构411的正上方，方便所述第一吸附机构411吸附芯片。

所述翻转装置吸附并翻转所述芯片具体包括：将所述第一运动台30与第二运动台60在竖直方向上相对放置；所述翻转装置包括第一吸附机构411、第二吸附机构412、第一翻转机构421及第二翻转机构423；所述第一吸附机构411从所述第一运动台30上吸附芯片后，利用所述第一翻转机构421翻转面向所述第二吸附机构412，并与所述第二吸附机构412对所述芯片进行交接，所述第二吸附机构412通过所述第二翻转机构423翻转面向所述第二运动台60上的基底。

具体的，第一翻转机构421将吸附所述芯片20的第一吸附机构411翻转180度，此时芯片标记21位于所述芯片20与第一吸附机构411之间，如图9所示。

所述第一吸附机构411和第二吸附机构412在第二交接位交接芯片，驱动机构424驱动第二吸附机构412移动至第二交接位，与第一吸附机构411交接芯片20，此时芯片标记21位于所述芯片20的上方，如图10所示。可以理解的是，所述第二交接位是吸附芯片的第一吸附机构411翻转180度后芯片所在的位置。

第二翻转机构423将吸附所述芯片20的第二吸附机构412翻转180度，此时芯片标记21位于所述芯片20的下方，如图11所示；在此过程中，可以同时进行以下步骤：所述第一运动台30将下一芯片运动到第一交接位，所述第一吸附机构411吸附所述芯片，第一翻转机构421将吸附所述芯片的第一吸附机构411翻转180度，由此待完成步骤s04之后，第二吸附机构412移动至初始位置，可以直接进行芯片交接，从而节省时间，提高键合效率。

所述驱动机构424驱动所述芯片20上的芯片标记21运动至测量系统10的焦面位置，第二运动台60将所述基底50上的基底标记运动至测量系统的焦面位置，所述测量系统10同时测量芯片标记与基底标记的位置，如图12所示。

步骤s02：所述测量系统10包括两个照明单元与两个探测单元，所述照明 单元分别向所述芯片标记与基底标记提供光源，所述探测单元相应地分别将所述芯片标记与基底标记成像并测量其位置，通过对所述芯片标记和所述基底标记的成像进行处理，得到所述芯片标记与所述基底标记的位置信息。其中，两个照明单元均包括第一成像光路与第二成像光路，经过所述第一成像光路的光束入射到位于芯片的x或y向标记上，通过芯片的x或y向标记的反射，进入探测单元，成像并经过图像处理之后获得芯片x或y向标记的位置，而经过所述第二成像光路的光束入射到位于基底的x或y向标记上，通过基底的x或y向标记的反射，进入探测单元，成像并经过图像处理之后获得基底x或y向标记的位置，由此同时获得芯片与基底的位置信息。第一照明单元与第一探测单元测量芯片标记与基底标记的x向标记的位置，第二照明单元与第二探测单元测量芯片标记与基底标记的y向标记的位置，并且所述第一照明单元的光轴在所述基底标记上的投影与所述y向标记平行，所述第二照明单元的光轴在所述基底标记上的投影与所述x向标记平行。

步骤s03：根据所述位置信息调整所述第二运动台60的姿态，使得基底位置与芯片位置对准。

步骤s04：将所述芯片20键合到基底50上，如图13所示。

本实施例中，所述芯片键合方法还包括：第二吸附机构412与芯片20分离，第二翻转机构423和所述驱动机构424将第二吸附机构412送回第二交接位，所述芯片键合装置回复到如图6所示；以及：重复步骤s01至步骤s04，使整片基底键合完毕。

【实施例二】

本发明提供一种芯片键合装置，采用实施例一所述的测量系统。

请参照图14所示，与实施例二不同的是，第一运动台30与第二运动台60在水平方向上并排放置，载片31放置在第一运动台30上，以及位于载片上方的芯片20，位于芯片上方的芯片标记21，翻转装置40只需进行一次翻转，具体的所述翻转装置40包括第一吸附机构411、第二吸附机构412、第一翻转机构421及驱动机构424；所述第一吸附机构411从所述第一运动台30上吸附芯片20后，芯片标记21位于第一吸附机构411与芯片20之间，利用所述第一翻转机构421翻转面向所述第二吸附机构412，并与所述第二吸附机构412对所述 芯片20进行交接，此时芯片标记位于芯片20的下表面，之后第二运动台水平运动到翻转装置40下方，使得芯片20正对着基底50，再通过测量系统将芯片20与基底50对准后，通过驱动机构424驱动第二吸附机构412向下运动将芯片20放置在基底50上，对准的过程与实施例一类似，在此不再进行具体描述。

综上所述，本发明提供的芯片键合装置及键合方法，通过在测量系统中设置两个照明单元与两个探测单元，第一照明单元与第一探测单元匹配探测芯片与基底上x向标记的位置，第二照明单元与第二探测单元匹配探测芯片与基底上y向标记的位置，从而同步测量芯片标记和基底标记的位置，节省了测量时间，并且通过对x向和y向标记的分开测量，消除了垂向测量信号对水平向测量信号的串扰，提高了测量的精度；本发明提供的芯片键合装置，通过翻转装置的设置，可直接从第一运动台上吸附芯片并实现芯片的翻转，同时通过测量系统的设置，同步测量芯片标记和基底标记的位置，从而在两个方面提高键合产率，并且通过调整第二运动台的姿态实现了高精度的键合。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。