一种基片贴合设备及基片贴合方法与流程

1.本发明涉及光刻机设备技术领域，尤其涉及一种基片贴合设备及基片贴合方法。


背景技术：

2.现有技术中用于半导体工艺中基片键合的配套设备，在键合进行之前需将两片基片进行对准。基片对准是基片键合工艺中最重要的技术之一。
3.现有的基片对准方法为：先将两片基片的表面相对，使用两组显微物镜分别检测出两片基片上对准标记的位置，然后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。然而基于基片键合工艺的需求，在对准过程中，两片基片中间必须放置间隔片，用于确保在键合之前两片基片相互不接触，这导致了两片基片之间存在较大的间隙，该间隙通常大于0.4mm，而该间隙的存在使得所选用的显微物镜的景深必须大于两片基片之间存在的距离，这样两片基片上的对准标记才能清晰成像，而对于显微物镜来说，其景深与分辨率是矛盾的关系，即景深越大的显微物镜，其分辨率就越低，因此想要进一步提高对准精度，首先应该提高显微物镜的分辨率，如此便会导致显微物镜的景深大大降低，最终降低了基片的对准精度。
4.针对上述问题，现有技术中又提供了一种检测装置，通过两组4个显微物镜来完成对准。由于对准标记位于键合面，因此对准时，使用下方的镜头来确定上方基片的标记坐标位置，使用上方的镜头来确定下方基片的标记坐标位置，然后通过运动台的垂向升降来完成贴合。该方法有效的解决了镜头景深不足的问题，但增加了上下两组镜头的同轴性设计难度。
5.之后，现有技术中又提出了一种解决方案。通过一组在两个标记之间运动的镜头来检测两个待对准物料的偏差。其特点是镜头不需要停止运动即在运动中完成图像识别，通过既定的差值补偿来实现快速对位。然而该方法中对于如何避免对位完成后的贴合偏移以及如何将镜头坐标系与运动台坐标系进行统一没有进行说明。此外，镜头在水平运动中还会有rx、ry的绕动，该绕动会影响到对位精度。
6.针对上述问题，现有技术中还提供了一种解决方案，通过一组相对放置的镜头来实现对位检测。对准前，首先完成两个镜头的同轴校正，然后移动底部工件台，实现上方镜头观察下方标记、下方镜头观察上方标记的功能。底部工件台具有四个自由度，顶部运动台具有一个自由度。此外还安装有位置测量装置来检测运动台的运动位置。该方法解决了镜头同轴性的问题，同时由于对位时上下两基片位置较近，减少了垂向运动造成的水平向偏差。但其存在的弊端为：需要分别对上下基片的标记进行识别，工件台的行程较大，花费时间较长。
7.因此，亟需提出一种基片贴合设备及基片贴合方法来解决现有技术中存在的上述技术问题。


技术实现要素：

8.本发明的第一个目的在于提供一种基片贴合设备，该基片贴合设备能使运动台保持最优行程、降低负载、结构简化，提高了基片的对准精度，降低基片贴合偏差。
9.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
10.一种基片贴合设备，包括：
11.基片运动台；
12.接收器和发射器，分别设置于所述基片运动台的两侧，所述接收器和所述发射器均具有y和z两个自由度；
13.z向运动组件，位于所述基片运动台上方且被配置为能沿z向上下运动；
14.基准版，包括上基准版和下基准版，所述上基准版和上基片均设于所述z向运动组件的下表面，所述下基准版和下基片均设于所述基片运动台的上表面。
15.作为上述基片贴合设备的优选技术方案，所述上基准版位于所述上基片靠近所述发射器的一侧，所述下基准版位于所述下基片靠近所述接收器的一侧；或，所述上基准版和所述下基准版位于同一侧。
16.作为上述基片贴合设备的优选技术方案，所述z向运动组件包括：
17.支架；
18.z向运动台，连接于所述支架，所述上基准版和所述上基片均连接于所述z向运动台，所述z向运动台被配置为能沿z向上下运动。
19.作为上述基片贴合设备的优选技术方案，所述z向运动组件还包括：
20.基片吸盘，连接于所述z向运动台，所述上基准版固连于所述基片吸盘的下表面，所述基片吸盘用于吸附所述上基片。
21.作为上述基片贴合设备的优选技术方案，所述z向运动组件还包括：吸盘固定支架，一端连接所述z向运动台，另一端连接所述基片吸盘。
22.作为上述基片贴合设备的优选技术方案，还包括：传输组件，位于所述基片吸盘的下方，所述传输组件用于传输所述上基片。
23.作为上述基片贴合设备的优选技术方案，还包括：运动台底座，所述基片运动台设于所述运动台底座上。
24.作为上述基片贴合设备的优选技术方案，还包括：定位夹具，设于所述基片运动台上，所述定位夹具用于定位所述下基片。
25.作为上述基片贴合设备的优选技术方案，还包括：控制单元，所述控制单元分别与所述接收器和所述发射器形成闭环控制，以分别控制所述接收器和所述发射器单独运动。
26.本发明的第二个目的在于提供一种基片贴合方法，上下基片的对准精度高，贴合精度高。
27.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
28.一种使用以上任一技术方案的基片贴合设备的基片贴合方法，所述基片贴合方法包括以下步骤：
29.s1、接收器和发射器通过基准版上的标记检测上基准版和下基准版的位置；
30.s2、将基片运动台与z向运动台的位置对准；
31.s3、所述接收器和所述发射器检测上基片和下基片上的基片标记的位置；
32.s4、所述基片运动台运动实现所述上基片和所述下基片的位置对准；
33.s5、所述z向运动组件沿z向运动实现所述上基片和所述下基片的贴合。
34.作为上述基片贴合方法的优选技术方案，步骤s2包括：所述基片运动台三自由度运动实现和所述z向运动台的位置对准。
35.作为上述基片贴合方法的优选技术方案，步骤s3包括：
36.s31、所述接收器和所述发射器在第一位置检测上基片左侧标记和下基片右侧标记；
37.s32、接收器和发射器在第二位置检测下基片左侧标记和上基片右侧标记。
38.作为上述基片贴合方法的优选技术方案，当所述接收器和所述发射器沿z向运动时，对所述上基片和所述下基片实现x向扫描，获得所述基片标记在x向分布的图像。
39.作为上述基片贴合方法的优选技术方案，当所述接收器和所述发射器沿y向运动时，对所述上基片和所述下基片实现y向扫描，获得所述基片标记在y向分布的图像。
40.与现有技术相比，本发明的优点及有益效果在于：
41.本发明提供的基片贴合设备基于三角测量技术，通过上基准版和下基准版获取基准版所在运动台的相对位置和姿态，利用基片运动台两侧的发射器和接收器测量上基片和下基片的坐标位置，从而测得基片与基准版的相对位置，确定基片的相对位置和姿态，从而实现上基片和下基片的位置对准，然后通过z向运动组件的垂向升降来完成上基片和下基片的贴合；该基片贴合设备能使z向运动组件和基片运动台保持最优行程、降低负载、结构简化，提高了对准精度，降低了贴合偏差。
42.本发明提供的基片贴合方法，应用上述的基片贴合设备，相较于现有技术，该基片贴合方法的基片对准精度提高，基片贴合偏差降低。
43.本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
44.图1是本发明具体实施方式提供的基片贴合设备的结构示意图；
45.图2是本发明具体实施方式提供的基准版结构及基准版上的标记分布示意图；
46.图3是本发明具体实施方式提供的基片结构及基片标记分布示意图；
47.图4是本发明具体实施方式的光学三角反射式测量原理示意图；
48.图5是本发明具体实施方式的投影狭缝和对准标记位置关系示意图；
49.图6是本发明具体实施方式提供的z向运动台组件的结构示意图；
50.图7是本发明具体实施方式提供的基片贴合设备的pos.a测量光路俯视示意图；
51.图8是本发明具体实施方式提供的基片贴合设备的pos.b测量光路俯视示意图；
52.图9是本发明具体实施方式提供的基片贴合设备的分支测量光路前视示意图；
53.图10是本发明具体实施方式提供的上基片在z向不同位置时，x向不同基准标记到接收器的光路示意图；
54.图11是本发明具体实施方式提供的基片贴合方法的流程图。
55.图中标记如下：
56.1、基片运动台；2、接收器；3、发射器；
57.4、z向运动组件；41、支架；42、z向运动台；43、基片吸盘；44、吸盘固定支架；
58.51、上基准版；52、下基准版；
59.61、上基片；62、下基片；63、基片标记；
60.7、传输组件；8、运动台底座；9、控制单元；
61.101、光源；102、照明组件；103、投影狭缝；104、投影组件；105、基片；106、探测组件；107、探测狭缝；108、中继组件；109、探测器。
具体实施方式
62.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
63.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
64.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
65.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
66.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
67.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
68.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
69.针对现有技术中的基片贴合设备存在的对准精度低、设计难度大、运动台行程大
等问题，本发明基于三角测量技术，提出了一种基片贴合设备，能够有效解决如上问题。
70.光学三角反射式测量原理基于简单的几何关系。发光二极管发出的光束被照射到被测物体表面，反射回来的光线通过一组透镜，投射到感光元件矩阵上，感光元件可以是ccd/cmos或者是psd元件。反射光线的强度取决于被测物体的表面特性。为此，模拟元件psd的敏感度需要进行调节。而对数字元件ccd传感器，使用如德国米铱提供的实时表面补光技术(rtsc,real time surface compensation)可以瞬时改变接收光强。
71.根据三角测量法，激光发射器3通过镜头将可见激光射向被测物体表面，经物体反射的光斑通过接收器2镜头，被内部的ccd线性相机接收，根据不同的距离，ccd线性相机可以在不同的角度下“看见”这些光点。根据这个角度及已知的光源101和相机之间的距离，数字信号处理器就能计算出传感器和被测物体之间的距离。三角测量法，通过测量基片表面和标记底部反光的高度差计算标记高度，通过密集采样拼接出基片标记63的图形信息来实现基片对准。根据不同设计，光学测量原理最大允许测量距离可达1m。斜射式激光三角法成像的光斑较大，光强不集中，随入射角度的变化有差异，体积比直射式大，测量范围小，但斜射式的分辨率高于直射式。
72.本实施例公开了一种基片贴合设备，实现了基片位置的精确测量对位，保证了运动台的最优行程和负载，降低了贴合偏差。如图1所示，该基片贴合设备包括基片运动台1、接收器2、发射器3、z向运动组件4和基准版。其中，基片运动台1具有x、y和rz三个自由度。接收器2和发射器3分别设置于基片运动台1的两侧，接收器2和发射器3均具有y和z两个自由度。z向运动组件4，位于基片运动台1上方且被配置为能沿z向上下运动。基准版包括上基准版51和下基准版52，上基准版51和下基准版52上均设有多个标记。基片包括上基片61和下基片62，上基片61和下基片62上均设有多个基片标记63；上基准版51和上基片61均设于z向运动组件4的下表面，下基准版52和下基片62均设于基片运动台1的上表面。
73.本实施例的基片贴合设备基于三角测量技术，对准时，使用基片运动台1和z向运动组件4的左右两侧分布的发射器3和接收器2测量上方和下方的基准版上的标记及基片标记63的坐标位置，发射器3和接收器2具有y向和z向两个自由度，可以实现对所有基准版上的标记及基片标记63坐标位置的测量，然后通过z向运动组件4的垂向升降来完成贴合。
74.在本实施例中，上基准版51位于上基片61靠近发射器3的一侧，下基准版52位于下基片62靠近接收器2的一侧。在另一可行实施例中，上基准版51和下基准版52位于同一侧。关于上基准版51和下基准版52的具体位置并不作为本发明的保护重点，根据实际情况设置即可。
75.如图2所示，为本实施例中的基准版结构及基准版上的标记分布示意图，以上基准版51为例进行说明，上基准版51上的多个标记分别记为51a、51b、51c、51d、51e、51f、51g、51h，下基准版52的结构和上基准版51的结构相同。需要说明的是，基准版作为基准件，其上的标记的具体分布不限于此，可根据实际需求进行调整，且基准版上的标记的数量也可根据实际需求进行调整，本实施例不再一一列举。通过基准版上的标记分布可以计算基准版所在运动台的相对位置和姿态。可选地，基准版上的标记呈十字形狭缝。优选地，上基准版51和下基准版52呈矩形，且一角设置倒角，起到防呆作用。
76.如图3所示，为本实施例中的基片标记63分布示意图，通过基片标记63与基准版上的标记的相对位置，确定基片的相对位置和姿态。可选地，本实施例中的多个基片标记63分
别记为63a、63b、63c、63d，分布位置如图2所示。需要说明的是，基片标记63的具体分布不限于此，可根据实际需求进行调整，且基片标记63的数量也可根据实际需求进行调整，本实施例不再一一列举。优选地，上基片61和下基片62上均设有notch口，该结构为现有技术，此处不再赘述。
77.如图4为本实施例的光学三角反射式测量原理示意图，图中：光源101、照明组件102、投影狭缝103、投影组件104、基片105、探测组件106、探测狭缝107、中继组件108和探测器109。光源101发出的光线经过照明组件102形成平行光，经过投影狭缝103和投影组件104，在基片105上形成投影光斑，同时基片105反射光线的同时将基片标记63的图形经过探测组件106成像在探测狭缝107上，透过探测狭缝107的光经中继组件108处理之后被探测器109接收。探测器109根据所接收到的光强大小采集相应的电压值。在本实施例中，发射器3即为光源101，接收器2即为探测器109，基准版上的标记即为投影狭缝103和探测狭缝107。
78.根据三角测量法，激光发射器3通过镜头将可见激光射向被测物体表面，经物体反射的光斑通过接收器2镜头，被内部的ccd线性相机接收，根据不同的距离，ccd线性相机可以在不同的角度下“看见”这些光点。根据这个角度及已知的光源101和相机之间的距离，数字信号处理器就能计算出传感器和被测物体之间的距离。根据三角测量法，通过测量基片105表面和标记底部反光的高度差计算基片标记63高度，通过3d密集采样拼接出基片标记63的图形信息来实现基片105对准。
79.如图5为本实施例的投影狭缝103和对准标记位置关系示意图，投影光斑在投影狭缝103上所形成的投影被基片105反射后与基片标记63的图形经过探测狭缝107被投影在探测器109上。基于投影狭缝103、探测狭缝107和基片标记63的尺寸和夹角，可以计算并测量得出基片标记63的准确姿态。
80.在本实施例中，如图6所示，z向运动组件4主要包括支架41和z向运动台42，支架41作为支撑结构用来实现其上所有零部件的安装固定，z向运动台42连接于支架41，上基准版51和上基片61均连接于z向运动台42，z向运动台42被配置为能沿z向上下运动，以驱动其上所有零部件的z向运动。
81.进一步地，z向运动组件4还包括基片吸盘43，基片吸盘43连接于z向运动台42，上基准版51固连于基片吸盘43的下表面，基片吸盘43用于吸附上基片61，实现上基片61的吸附定位。可选地，基片吸盘43为真空吸盘。优选地，基片吸盘43设有多个，多个基片吸盘43呈矩形阵列或圆形阵列分布，可以提高吸附稳定性。基片吸盘43的数量本实施例不做具体限定，可根据实际情况进行选择。
82.更进一步地，z向运动组件4还包括吸盘固定支架44，吸盘固定支架44的一端连接z向运动台42，另一端连接基片吸盘43。
83.基片贴合设备还包括传输组件7，传输组件7位于基片吸盘43的下方，传输组件7用于传输上基片61。可选地，传输组件7在垂直于z向的水平面内沿x向或y向运动，以实现上基片61的传输。
84.在本实施例中，如图1所示，接收器2和发射器3沿x向分别设置于基片运动台1和z向运动组件4的两侧，传输组件7沿y向水平运动；也可以是，接收器2和发射器3沿y向分别设置于基片运动台1和z向运动组件4的两侧，传输组件7沿x向水平运动。以上两种布置方式均能避免结构干涉，充分利用空间。
85.本实施例中的基片贴合设备还包括运动台底座8，运动台底座8置于工作台面或地面上，作为整个基片贴合设备的承载部件，基片运动台1、接收器2和发射器3均设于运动台底座8上。采用三角测量技术，使对准测量用发射器3和接收器2置于运动台外侧，且发射器3和接收器2直接安装在运动台底座8上，无悬臂结构，结构稳定性高，利于保证更高的测量精度。同时使z向运动组件4和下方的基片运动台1保持最优行程、负载降低、结构简化。
86.进一步地，基片贴合设备还包括定位夹具，定位夹具设于基片运动台1上，定位夹具用于定位下基片62。定位夹具采用现有技术中常用的基片定位结构，此处不再赘述。
87.可选地，基片贴合设备还包括控制单元9，控制单元9与基片运动台1连接，以控制基片运动台1的三自由度运动。控制单元9与z向运动组件4连接，以控制z向运动组件4的z向运动。控制单元9分别与接收器2和发射器3形成闭环控制，以分别控制接收器2和发射器3单独运动。在本实施例中，控制单元9可以是集中式或分布式的控制器，比如，控制单元9可以是一个单独的单片机，也可以是分布的多块单片机构成，单片机中可以运行控制程序，进而控制基片运动台1、接收器2、发射器3、显示装置5、z向运动组件4实现各自的功能。
88.本发明提供的基片贴合设备基于三角测量技术，通过上基准版51和下基准版52上的标记分布可以获取基准版所在运动台的相对位置和姿态，利用基片运动台1两侧的发射器3和接收器2测量上基片61和下基片62上的基片标记63的坐标位置，从而测得基片与基准版的相对位置，确定基片的相对位置和姿态，从而实现上基片61和下基片62的位置对准，然后通过z向运动组件4的垂向升降来完成上基片61和下基片62的贴合；该基片贴合设备能使z向运动组件4和基片运动台1保持最优行程、降低负载、结构简化，提高了对准精度，降低了贴合偏差。
89.下面结合附图7-附图9具体说明上述基片贴合设备的测量原理。
90.如图7为本实施例的基片贴合设备在第一位置(pos.a)测量光路俯视示意图，当接收器2的对准镜头和发射器3的光源在pos.a时，用于测量上基片左侧标记63b和下基片右侧标记63c。由于结构上的限制，光路3a和光路3c呈交叉分布。光路3a与上基片61形成视场3b以测量上基片左侧标记63b，光路3c与下基片62形成视场3d以测量下基片右侧标记63c。
91.如图8为本实施例的基片贴合设备在第二位置(pos.b)测量光路俯视示意图，当接收器2的对准镜头和发射器3的光源在pos.b时，用于测量下基片左侧标记63a和上基片右侧标记63d。由于结构上的限制，光路3a和光路3c呈交叉分布。光路3a与下基片62形成视场3b以测量下基片左侧标记63a，光路3c与上基片61形成视场3d以测量上基片右侧标记63d。
92.如图9为本实施例的基片贴合设备分支测量光路前视示意图，当接收器2和发射器3沿z向运动时，可以对基片实现x向扫描，获得基片标记63在x向分布的图像。具体地，如图10所示，当上基片61在z1位置时，基片标记63c或63d的图像被投影到接收器2；当上基片61在z2位置时，基片标记63a或63b的图像被投影到接收器2；接收器2的z向位置同步运动。当接收器2和发射器3沿y向运动时，可以对基片实现y向扫描，获得基片标记63在y向分布的图像，从而实现对基片整个表面任意位置所分布的基片标记63的测量。当已知基片的基片标记63的位置为确定时，接收器2和发射器3的z向位置就是确定的，只需要沿y向在pos.a和pos.b间运动就可以对准测量上基片61和下基片62的相对位置；并通过基片运动台1所具有的x、y、rz三个自由度，实现上基片61和下基片62的位置对准。
93.本实施例还提供了一种基片贴合方法，使用以上任一技术方案的基片贴合设备，
如图11所示，该基片贴合方法包括以下步骤：
94.s1、接收器2和发射器3通过基准版上的标记检测上基准版51和下基准版52的位置；
95.s2、将基片运动台1与z向运动台42的位置对准；
96.s3、接收器2和发射器3检测上基片61和下基片62上的基片标记63的位置；
97.s4、基片运动台1运动实现上基片61和下基片62的位置对准；
98.s5、z向运动组件4沿z向运动实现上基片61和下基片62的贴合。
99.进一步地，步骤s2、将基片运动台1与z向运动台42的位置对准包括：基片运动台1三自由度运动实现和z向运动台42的位置对准。
100.进一步地，步骤s3、接收器2和发射器3检测上基片61和下基片62上的基片标记63的位置包括：
101.s31、接收器2和发射器3在第一位置检测上基片61左侧标记和下基片62右侧标记；
102.s32、接收器2和发射器3在第二位置检测下基片62左侧标记和上基片61右侧标记。
103.该基片贴合方法相较于现有技术，基片对准精度提高，基片贴合偏差降低。
104.显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。