真空装置、基片对准设备及形成预键合片的方法与流程

本发明涉及半导体制造技术领域，特别是涉及晶圆生产工艺设备中的真空装置、基片对准设备及形成预键合片的方法。

背景技术：

目前行业内应用的主要键合工艺为真空环境中加热、加压、或加热加压。为使被键合的两片基片上的标记在一定对准精度范围内有效键合，即在实现两基片键合动作前两基片需完成一定精度对准动作。基片对准技术是基片键合工艺中关键的技术，实现在进行键合工艺前将两片基片对准的功能，满足一定的对准精度。而对准功能的实现需要有显微镜的应用，通常的显微镜(CCD(电荷耦合器件)、镜头等)在高真空、高温的环境下无法正常工作，或需要更高的成本。

因此，业内所采用的做法是将对准、键合功能分开实现，即在对准设备中完成对准功能，再将对好后的两基片送到键合设备中完成键合功能，这样实现了一定精度的键合工艺，又大大降低对准设备的配置需求，降低成本、设计难度。

目前，常用的用于实现基片对准的方法为：先将两片基片的相对放置，通过显微物镜，检测出两片基片上对准标记的位置，再通过执行器补偿检测出的两片基片上对准标记的相对位置偏差。由于目前基片键合工艺要求两片基片间不能有气泡，为了满足该要求，在对准设备执行完对准操作后，在两片基片间设置一间隔片以保证两片基片在键合前不接触。如图1所示，为保证两基片不贴合使最大产率最大化，基片1和基片2之间设置有间隔片3。接着，在进入键合设备后，抽取真空、加热、撤离间隔片，然后进行键合工艺。通过抽取真空的步骤使得两片基片处于真空环境下，但是，间隔片的引入会带来一系列问题，例如，由于自重的作用，上片可能会凹陷与下片接触，在键合设备中抽真空时仍会有局部气泡；在键合设备中撤离间隔片时容易使对准好的基片偏移，以致不能满足对准精度。

中国专利申请公开CN104937652A提供了一种贴合器件的制造装置，通过提供一种封闭结构，实现两工件的贴合。在实施例1中，工件W1、W2从搬运机构B运送到交接部件5，再从交接部件5运送到保持部件2或3，多次交接后由保持部件2及3带着工件相对W1、W2靠近运动；在实施例2中，工件W1、W2从搬运机构B运送到交接部件5，从交接部件5运送到保持部件2或3，进行一次180°旋转，之后真空腔体10(b)垂向运行一次，保持部件3垂向运行一次。在这些一系列的运动后无对位机构，无法保证两工件的相对位置，即为无精度键合。虽然在实施例3中引入了对位机构9，仅在水平向X、Y、θ对准之后，其中一真空腔体(包括对位后的工件)进行一次180°的翻转，并且同实施例2一样翻转后再进行两次垂向运动，大大降低了对准精度，无法实现高精度键合。

在该公开文献中，封闭件6在变压室的底壁或顶棚部移动并产生摩擦，这导致颗粒进入密封腔而影响工件的洁净度；以及交接件5与变压腔壁间安装轴承，这对多个销结构的交接件5的安装平行度要求极高，结构不合理。

此外，第一工件W1和第二工件W2先贴合再抽真空，此举会在第一工件W1和第二工件W2两者间引入气泡。在该贴合器件的制造装置中完成了键合工艺，这适合使用如光固化型粘接剂的不需要加压及加热的密封胶。而且，各实施例中的密封模块均较复杂，实现难度大。

因此，需要一种用于基片对准设备中的真空装置、基片对准设备及形成预键合片的方法。

需要说明的是，公开于该发明背景技术部分的信息仅仅旨在加深对本发明的一般背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明提供一种真空装置、基片对准设备及形成预键合片的方法，在基片对准设备中增加局部真空腔体，以解决两片基片间插入间隔片所引入的键合误差，从而能够简单且有效地提高键合设备的键合精度。

为了达到上述目的，在本申请的一个方面，提供一种真空装置，所述真空装置用于基片对准设备中，其特征在于，包括：上固定模块，用于固定上基片；下固定模块，用于固定下基片；所述真空模块被设置成在所述上基片与下基片对准之后在所述上固定模块和下固定模块之间形成真空腔体；其中所述真空模块包括壳体、密封模块和真空接口，所述壳体具有一开口并被配置成开口向上地套设在所述上固定模块和下固定模块外侧，所述密封模块设置在所述壳体开口的内壁上，以在完成所述上基片与下基片对准之后所述密封模块位于所述上固定模块和壳体之间以密封所述上固定模块和壳体形成密封腔，所述真空接口贯穿设置在所述壳体的侧壁中并为所述密封腔提供真空输入形成真空腔体。

在一些实施例中，所述真空模块还包括基片压紧模块，所述基片压紧模块设置在所述下固定板上并且位于所述下基片两侧并且用于在真空腔体的真空度达到预设真空度时压紧上基片与下基片，以使所述上基片与下基片真空贴合。

在一些实施例中，所述真空模块还包括真空传感器，所述真空传感器用于感测真空腔体的真空度。

在一些实施例中，所述真空装置还包括测控模块，所述测控模块根据感测到的真空腔体的真空度控制所述真空接口的操作。

在一些实施例中，所述测控模块根据所述真空传感器所感测的真空度控制所述基片压紧模块的压紧操作。

在一些实施例中，所述真空模块腔体或上固定板上设置有紫外线能够穿过的窗。

在一些实施例中，所述真空模块腔体或上固定板上设置有能够移动的门。

在一些实施例中，所述真空模块还包括温度传感器，所述温度传感器用于感测真空腔体内的温度。

在一些实施例中，所述测控模块根据所述温度传感器所感测的真空腔体内的温度及所述真空传感器所感测的真空度控制所述基片压紧模块的压紧操作。

在一些实施例中，所述真空模块进一步包括环境控制模块，所述环境控制模块设置在所述壳体内并根据后续键合工艺的需要调节壳体内的温度。

在一些实施例中，所述环境控制模块包括加热结构、冷却结构和隔热结构，所述加热结构设置在所述壳体内并且在所述下固定模块的下方，所述隔热结构设置在所述壳体与所述加热结构之间，所述冷却结构设置在所述隔热结构的下方。

在一些实施例中，所述密封模块为气囊结构。

在本申请的另一方面，还提供一种基片对准设备，包括前述一个方面中所述的真空装置。

在一些实施例中，所述基片对准设备还包括传输组件、对准测量组件和驱动模块，其中所述传输组件用于将所述上基片和下基片交接到所述上固定板和下固定板上；所述对准测量组件包括用于采集上基片和下基片上的对准标记信息的第一测量镜头和第二测量镜头并将所述对准标记信息发送给测控模块；所驱动模块包括垂向运动机构和水平运动机构，用于在测控模块的控制下驱动带动上固定板和下固定板运动以使所述上基片和下基片处于对准终端。

在一些实施例中，所述垂向运行机构与水平运行机构分别设置在所述上固定板之上和所述壳体之下。

在一些实施例中，所述第一测量镜头和第二测量镜头设置于所述上固定板上方并且对称地设置在所述垂向运行机构的两侧。

在一些实施例中，所述第一测量镜头和第二测量镜头背对背上下设置。

在本申请的又一方面，还提供一种形成预键合片的方法，所述方法包括：

将上基片和下基片相对地固定在基片对准设备上，所述基片对准设备包括以上一个方面所述的真空装置，传输组件、对准测量组件和驱动模块；

通过对准测量组件测量所述上基片和下基片上的对准标记的位置；

测控模块对所述上基片和下基片上的对准标记的位置进行分析并控制所述驱动模块带动所述上基片和下基片运动至处于对准终端；

通过所述真空模块使所述上基片与下基片真空贴合。

本发明的有益效果是：本发明提出了一种真空装置、基片对准设备及形成预键合片的方法，省去了两片基片间的间隔片结构，而是在基片对准设备中设计一局部真空装置，当对准设备完成上下基片的位置对准后，局部真空装置工作，使两片基片处于真空环境。本发明在真空腔体内设计有加热丝，并且可根据键合胶的工艺调节加热丝温度，并且为了不影响对准设备中其他结构使用性能，将真空腔体与加热结构间用隔热片隔离，并在真空腔体外设计冷却结构。在真空环境下加热一定时间后，用于基片的基片压紧模块动作将两片基片迅速压紧，从而提高键合精度、键合晶圆的良率。

附图说明

通过说明书附图以及随后与说明书附图一起用于说明本发明某些原理的具体实施方式，本发明所具有的其它特征和优点将变得清楚或得以更为具体地阐明。

图1是现有技术的基片间隔片的布局示意图。

图2示出了根据本发明实施例的包括真空装置的基片对准设备传输基片时的示意图。

图3示出了根据本发明实施例的包括真空装置的基片对准设备对准两片基片使其处于对准终端时的示意图。

图4示出了根据本发明实施例的包括真空装置的基片对准设备压合两片基片时的示意图。

图5示出了根据本发明实施例的包括真空装置的基片对准设备撤离固定板后的示意图。

图6示出了根据本发明另一实施例的基片对准设备示意图。

元件标号说明：

1 上固定板

2 上基片

3 密封模块

4 真空腔体

5 下基片

6 下固定板

7 加热结构

8 隔热板

9 冷却结构

10 基片压紧模块

11 真空接口

12a、12b 测量镜头

13 传输组件

14 垂向运行机构

15 水平运行机构

16 温度传感器

17 水平驱动结构。

应当了解，说明书附图并不一定按比例地显示本发明的具体结构，并且在说明书附图中用于说明本发明某些原理的图示性特征也会采取略微简化的画法。本文所公开的本发明的具体设计特征包括例如具体尺寸、方向、位置和外形将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。

在说明书附图的多幅附图中，相同的附图标记表示本发明的相同或等同的部分。

具体实施方式

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

下面，结合附图对本发明的具体实施例进行描述。请参阅图1-6所示，本发明提供一种真空装置、基片对准设备及形成预键合片的方法。

图2示出了根据本发明实施例的包括真空装置的基片对准设备传输基片时的示意图。所述真空装置包括：上固定模块、下固定模块和真空模块。其中，所述上固定模块包括上固定板1并且用于将上基片2固定到所述上固定板1上，所述下固定模块包括下固定板6并且用于将下基片5固定到所述下固定板6上，从而保证在对准全过程中两基片位置相对两固定板无偏移；以及所述真空模块用于在所述上固定模块和下固定模块之间形成真空腔体，使对准后的上基片2和下基片5处于真空腔体中。

所述真空模块包括壳体4、密封模块3和真空接口11，所述壳体4具有一开口被配置成开口向上地套设在所述上固定模块和下固定模块外侧，所述密封模块3设置在所述壳体4的开口的内壁上，使得以在完成所述上基片与下基片对准(即，上基片2与下基片5处于对准终端)时所述密封模块位于所述上固定模块和壳体之间以密封所述上固定模块和壳体形成密封腔，从而使所述上基片2和下基片5处于密封腔中，所述真空接口11贯穿设置在所述壳体4的侧壁中并为所述密封腔提供真空输入以形成真空腔体。

在一些实施例中，所述密封模块3设置在所述上固定模块的上固定板1和壳体4之间。所述密封模块3可以是气囊结构，例如气囊充气(即，打开所述密封模块3)时形成密封腔，但本发明不限于此，所述密封模块3可以是任何合适的结构。所述上固定板1和下固定板6可被设计成真空吸附结构，其附基片并保持固定状态，但本发明不限于此，所述上固定板1和下固定板6可被设计成电磁吸附、夹持结构等。

图4示出了根据本发明实施例的包括真空装置的基片对准设备压合两片基片时的示意图。所述真空模块还包括基片压紧模块10，所述基片压紧模块10设置在所述下固定板6上并位于所述下基片5两侧，其用于在真空腔体的真空度达到预设真空度时压紧经对准的上基片2与下基片5，以使所述上基片2与下基片5真空贴合。进一步地，所述真空模块还可包括真空传感器(图中未示出)，所述真空传感器用于感测真空腔体的真空度。

所述真空装置还包括测控模块(图中未示出)，所述测控模块还根据所述真空传感器所感测的真空度控制所述真空接口11的操作，并且所述测控模块还根据所述真空传感器所感测的真空度控制所述基片压紧模块10的压紧操作，例如，在真空腔体的真空度达到预设真空度时控制所述基片压紧模块10压紧上基片2与下基片5。在一些实施例中，所述测控模块也可根据预设的时间延滞来控制所述基片压紧模块10的动作。

并且，所述真空模块还可包括环境控制模块，所述环境控制模块设置在所述壳体4内并能够根据后续键合工艺的需要调节壳体内的温度。优选地，所述真空模块还包括温度传感器16，所述温度传感器16用于感测真空腔体内的温度。

在一些实施例中，所述环境控制模块可包括加热结构7、隔热结构8和冷却结构9。所述加热结构7设置在所述壳体4内并且在所述下固定模块的下方，优选地，在所述下固定板6的下方。所述隔热结构6设置在所述壳体与所述加热结构之间，以保护使用真空装置的基片对准设备，所述冷却结构9设置在所述隔热结构7的下方。所述测控模块根据所述温度传感器16所感测的真空腔体内的温度控制所述环境控制模块中的加热结构7和冷却结构9的加热和冷却操作。优选地，所述测控模块还可控制所述加热结构7的加热温度，以及控制所述冷却结构9的冷却温度。

在实际中，所述测控装置根据后续所采用的键合工艺来决定所述加热结构7、冷却结构9是否工作。

在键合工艺为常温常压可实现的情况下，例如，在使用UV胶键合的情况下，此时，不需要在真空装置中进行加热。在上基片2和下基片5通过基片压紧模块迅速贴合后，关闭所述密封模块3(例如，使气囊放气，解除密封结构)并移除上固定板1，图5示出了根据本发明实施例的包括真空装置的基片对准设备撤离上固定板后的示意图，然后用紫外线照射贴合的上基片2与下基片5完成所述上基片2与下基片5的键合。在一些实施例中，所述壳体4或上固定板1上可设置有紫外线可穿过的透视窗，以在不移除上固定板1的情况下对进行紫外线照射，以完成上基片2与下基片5的键合。一些实施例中，在壳体4或上固定板1上可设置有可移动的密封门，以在完成基片贴合后打开密封门对上基片2与下基片5进行紫外线照射，从而完成上基片2与下基片5的键合。

在键合工艺需要加热加压的情况下，贴合的上基片2与下基片5必须被送入键合设备加热加压以完成键合，则不需要在真空装置中进行加热。具体而言，在所述上基片2与下基片5完成贴合后，关闭所述密封模块3并移除上固定板1，如图5所示，取出其上具有压紧的上基片2与下基片的下固定板6送入键合设备中进行键合工艺。

在键合工艺只需加热的情况下，由于键合胶在加热后会有气泡产生，因此在上基片2与下基片5贴合之前必须对其进行加热。由此，在对准过程中，需要对预键合片所处的真空腔室进行环境温度控制。具体而言，在密封腔建立后，由所述环境控制模块控制所述加热结构7开始工作，所述密封腔的温度可由温度传感器16将所测得的温度发送给所述测控模块，所述测控模块根据所述温度传感器16所感测的真空腔体内的温度及所述真空传感器所感测的真空度控制所述基片压紧模块10的压紧操作，以完成上基片2与下基片5的贴合，即，当真空腔体内的温度及所述真空腔体内的真空度都达到预设值时，测控模块控制所述基片压紧模块进行压紧操作。在一些实施例中，所述冷却结构9可以设置为常开或者由测控模块控制其在密封腔建立至加热结构7工作期间任何一个环节开启。

本发明还提出了一种基片对准设备，所述基片对准设备包括以上关于图2-5所述的真空装置，上文已详细描述了所述真空装置，因此在此不在赘述。所述基片对准设备还包括传输组件13、对准测量组件12和驱动模块，其中所述传输组件用于将上基片2和下基片5交接到上固定板1和下固定板6上；所述对准测量组件12包括用于采集上基片2和下基片5上的对准标记信息的第一测量镜头12a和第二测量镜头12b并将所述信息发送给测控模块；所述驱动模块包括垂向运动机构14和水平运动机构15，用于在测控模块的控制下驱动带动上固定板1和下固定板6运动以使所述上基片2和下基片5处于对准终端。

图3示出了根据本发明实施例的包括真空装置的基片对准设备对准两片基片使其处于对准终端时的示意图。在一些实施例中，传输组件13可以先将下基片5运送到对准位，上固定板1通过垂向运行机构14带动垂向运动靠近下基片5并成功交接。接着，在使传输组件13撤离后，上固定板1继续向下向固定板6靠近并将下基片5成功交接给下固定板6。然后，所述垂向运行机构14反向运行回到原位，传输组件13将上基片2运送到对准位，垂向运行机构14靠近上基片2并成功交接，传输组件13撤出。

接着，垂向运行机构14带着上固定板1、上基片2垂向运行靠近下基片5，使上基片2与下基片5均进入对准测量组件12的第一测量镜头12a和第二测量镜头12b的焦深范围内(即，第一和第二测量镜头12a、12b同时看到上基片2与下基片5上的对准标记)并且所述上基片2和下基片5间距为所述测控模块所设定的间距预设值，并将第一和第二测量镜头12a、12b采集到的对准标记信息传输至测控模块。所述测控模块通过对对准标记信息进行图像处理分析得到上基片2与下基片5位置偏差，并将偏差数据反馈给水平运行机构15，通过水平运行机构15驱动下基片5水平运动直到上基片2与下基片5对准精度的达到预设值，即，上下基片已处于对准终端。所述上基片2和下基片5之间的间距预设值是通过大量调试数据选取的基片压紧后偏移最小的间距值。

在图2-5所示的示例中，所述入对准测量组件的第一和第二测量镜头12a和12b都设置在所述上固定板的上方，并且对称地设置在所述垂向运行机构14的两侧。所述垂向运行机构14与水平运行机构15分别设置在所述上固定板1之上和所述壳体4之下，但本发明不限于此，所述垂向运行机构14与水平运行机构15也可分别设置在所述壳体4之下和所述上固定板1之上，或者，所述垂向运行机构14与水平运行机构15被设置在一起，例如都所述上固定板1之上或都所述壳体4之下等。

图6示出了根据本发明另一实施例的基片对准设备示意图。图6所示的基片对准设备的结构与图2-5所示的基片对准结构类似，其区别在于，在图6中所述对准测量组件的第一和第二测量镜头12a和12b上下设置并由水平驱动结构17驱动，在上基片2和下基片5分别交接到上固定板1和下固定板6之前，所述第一和第二测量镜头12a和12b由水平运行机构17驱动运动到位置W3，在上基片2和下基片5成交接到上固定板1和下固定板6之后，第一和第二测量镜头12a和12b两者依次被驱动运行到位置W1、W2，以读取两个位置处上基片2和下基片5的对准标记位置信息，并将所述对准标记位置信息输给测控模块，所述测控模块根据对对准标记位置信息的分析控制所述水平运行机构15运动到期望位置。当水平运行机构15运行到位时，所述测控模块控制垂向运行结构14运动至上下基片间距满足预设值的位置(在垂向运行结构14运动之前，第一和第二测量镜头12a和12b需运动到位置W3)。根据对准算法第一和第二测量镜头12a和12b可以进行多次测量，即水平运行机构15运行到位后，第一和第二测量镜头12a和12b可再测一组数据并反馈给测控模块控制运行结构15再次运动。优选地，所述第一和第二测量镜头12a和12b背对背上下设置。

在这种配置下，在上基片2与下基片5完成对位后，其中一个基片或两个基片需垂向运动且距离较长，由于结构加工精度、机构运行精度等会带入较大误差，从而影响对准精度。为此，需获取设备垂向运行引入的系统误差作为测控模块的一个参数设置。获取系统误差的方法可是多次测量对准偏移量，拟合系统误差。

本发明还提供了一种形成预键合片的方法，所述方法包括：

首先，将上基片2和下基片5相对地固定在以上关于图1-6所述的基片对准设备上，例如，如图2所示，通过传输组件13将上基片2和下基片5依次送入并成功交接到上固定板1和下固定板6上，所述上固定板1和下固定板6通过例如真空或电磁吸附分别将上基片2和下基片5固定在其上。

通过对准测量组件12测量所述上基片和下基片上的对准标记的位置，然后通过测控模块对所述上基片和下基片上的对准标记的位置进行分析并控制所述驱动模块带动所述上基片和下基片运动至处于对准终端；例如，在对准过程中垂向运行机构14带动上固定板1及上基片2垂运动，直至上基片2和下基片5间距为所述测控模块所设定的间距预设值，通过基片对准设备中的对准测量组件12(包括第一和第二镜头12a和12b)实时监测上基片2和下基片5水平位置，并将数据传送到测控模块，所述测控模块完成对上基片2和下基片5位置信息的图像数据分析并控制水平运行机构15动作至上基片2和下基片5水平位置满足对准精度需求。

然后，通过所述真空模块使所述上基片与下基片处于真空贴合，如图4所示，所述密封模块3打开(例如，对密封模块3的气囊结构充气)以密封所述上固定板1和壳体4形成密封腔，从而使所述上基片2和下基片5处于密封腔中，然后通过所述真空接口11为所述密封腔提供真空输入以形成真空腔体，使得上基片2与下基片5处于密封的真空腔体之中。当真空腔体内的真空度达到预设值时，通过测控模块控制基片压紧模块10动作迅速将上基片2与下基片5压合，至此，形成预键合片，完成两基片在对准机中的对准、夹持工艺。

在一些实施例中，还可对密封的真空腔体进行加热，当真空腔体内的真空度和温度都达到预设值时，由控模块控制基片压紧模块10动作，迅速将两基片压合，至此，完成两基片在对准机中的对准、夹持工艺。

在一些实施例中，如图5所示，将密封模块3关闭(密封模块3的气囊结构放气)，撤离固定板1，将带有基片压紧模块10以及压紧的两基片的下固定板6取出，就可送至键合机中进行键合工艺。、

上述实施例是用于例示性说明本发明的原理及其功效，但是本发明并不限于上述实施方式。本领域的技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，在权利要求保护范围内，对上述实施例进行修改。因此本发明的保护范围，应如本发明的权利要求书覆盖。