晶圆对准方法及对准装置与流程

1.本发明属于芯片制造技术领域，尤其涉及一种晶圆对准方法及对准装置。


背景技术：

2.三维集成晶圆堆叠技术是针对当前背照式cis芯片和3d存储芯片工艺发展起来的，是解决互连引线瓶颈问题的一种优选方案。对准是三维集成晶圆堆叠工艺种最重要的工艺步骤之一，直接决定着晶圆键合精度的高低。
3.对准的基本原理是：将两片晶圆分别进行表面处理后，通过精密光学系统对两片晶圆上指定位置的mark标记进行识别、定位后，再通过多种调整机构对两片晶圆进行空间上的对准。对准后的晶圆对方可进行后续的键合工艺，从而完成三维集成晶圆堆叠工艺过程。
4.现有技术中，上晶圆和下晶圆的对准标记均加工在晶圆的正面，并且上晶圆与下晶圆的对准过程包括以下5个步骤：
5.(1)在对准工位，使上晶圆的正面朝向下方，下晶圆的正面朝向上方，并且上晶圆的对准标记与下晶圆的对准标记上下相对设置，同时上晶圆与下晶圆在竖直方向相互错开，以便于视觉识别系统可以单独识别单片晶圆对准mark。
6.(2)移动视觉识别系统，直至视觉识别系统的上物镜识别出下晶圆正面的两个对准标记的中心坐标，视觉识别系统在此位置固定下来，并且此时下晶圆的位置为其初始识别位置。
7.(3)将下晶圆移出视觉识别系统的视场范围，然后将上晶圆移入视觉识别系统的视场范围，使视觉识别系的下物镜识别出上晶圆正面的两个对准标记的中心坐标。
8.(4)使下晶圆回到其初始识别位置，以使上晶圆的对准标记与下晶圆的对准标记在竖直方向重叠。
9.(5)位移控制系统记录步骤(1)至(4)中产生的位置偏差并计算位置补偿值，再根据当前的上晶圆与下晶圆的中心坐标偏差，控制精度位移系统带动下晶圆完成与上晶圆的精动对准。
10.现有技术主要存在以下缺点：
11.现有技术的对准过程的步骤(3)至步骤(4)中下晶圆的对准标记的中心坐标识别后移出再次移入视觉识别系统的视场范围的引入了中间误差，且位移控制系统无法将此中间误差全部准确测量并完成补偿。因此，使得下晶圆的对准标记不能准确回到原位置，势必对对准精度带来不利影响；
12.现有技术中的晶圆对准属于间接式的“盲”对准。其中，上晶圆与下晶圆对正重叠后，视觉识别系统无法实时捕捉上晶圆和下晶圆的对准标记，对准效果完全依赖于视觉系统单独识别对准标记的中心坐标的历史经验数据和位置补偿值，因此不能实时掌握对准工序完成后的上晶圆与下晶圆之间的对准标记的中心坐标误差，更不能对对准过程予以及时的干预调整。这样，在键合工艺前的对准精度不能被直接检测校验，只能在完成键合工艺后
进行检测，此时的对准误差是对准工艺和键合工艺叠加误差，对准精度较差，影响键合的晶圆的合格率。同时，经校验后不合格的晶圆需要解键合后再次执行对准工艺，从而导致晶圆加工效率降低，另外解键合工艺不良也有引起晶圆碎裂的风险。


技术实现要素：

13.本发明提供一种晶圆对准方法及对准装置，用于消除下晶圆移出再移动视觉识别系统的视场范围带来的对准误差，以解决现有的对准方法的对准精度差的技术问题，能够实时地对上晶圆与下晶圆的对准标记之间的位置偏差进行分析并干预调整，实现键合工艺前的对准精度的准确评估，有效提高晶圆键合的加工效率。
14.本发明的晶圆对准方法，包括以下步骤：
15.步骤1：分别在上晶圆的背面和下晶圆的背面设置对准标记；
16.步骤2：使所述上晶圆的背面朝向上方，所述下晶圆的背面朝向下方，然后将所述上晶圆和所述下晶圆移动至对准工位，直至所述上晶圆的对准标记和所述下晶圆的对准标记均处于视觉识别系统的视场范围内；
17.步骤3：通过所述视觉识别系统的上物镜识别所述上晶圆的对准标记，同时通过所述视觉识别系统的下物镜识别所述下晶圆的对准标记，以获取所述上晶圆的对准标记与所述下晶圆的对准标记之间的位置偏差；
18.步骤4：基于所述位置偏差执行所述上晶圆与所述下晶圆之间的精动对准操作。
19.在一个实施方式中，步骤2包括以下子步骤：
20.步骤21：将所述下晶圆移动至所述对准工位的预设位置处，调整所述视觉识别系统的位置直至所述下物镜识别出下晶圆的对准标记，锁定所述视觉识别系统和所述下晶圆的位置；
21.步骤22：将所述上晶圆并移动至所述下晶圆的上方，并调整所述上晶圆的位置直至所述上物镜识别出所述上晶圆的对准标记。
22.在一个实施方式中，步骤21中，所述预设位置为所述下晶圆的键合位置。
23.在一个实施方式中，步骤4包括以下子步骤：
24.步骤41：判断步骤3中获取的所述位置偏差是否处于预设偏差范围内，
25.若是，则判定所述上晶圆与所述下晶圆的精动对准完成，进入键合工序，
26.若否，则依次执行步骤42和步骤43；
27.步骤42：基于所述位置偏差对所述上晶圆的位置姿态进行一次精动调整，并记录当前进行精动调整的次数；
28.步骤43：判断当前进行精动调整的次数是否超过预设次数，
29.若是，则控制所述上晶圆和所述下晶圆从所述对准工位退出，以结束对准工序；
30.若否，则返回执行步骤3的操作。
31.在一个实施方式中，基于所述位置偏差对所述上晶圆的位置姿态进行一次精动调整包括：
32.根据所述位置偏差计算精动调整补偿值，并根据计算出的精动调整补偿值对上晶圆的位置姿态进行精动调整，以实现所述上晶圆与所述下晶圆的精动对准。
33.在一个实施方式中，步骤1之前还包括计算所述视觉识别系统的下物镜和上物镜
之间的同轴度偏差的步骤：
34.步骤0：使所述上物镜识别同轴校验装置顶面上的第一同轴校验标记，同时使所述下物镜识别所述同轴校验装置底面上的第二同轴校验标记，以计算下物镜和上物镜之间的同轴度偏差；
35.其中，所述第一同轴校验标记与所述第二同轴校验标记位于同一竖直直线上。
36.在一个实施方式中，步骤3还包括：根据步骤0中计算出的所述下物镜和所述上物镜之间的同轴度偏差校正获取的所述位置偏差，
37.步骤4中，基于校正后的所述位置偏差执行上晶圆与下晶圆之间的精动对准操作。
38.在一个实施方式中，所述同轴校验装置的轴向厚度与键合时所述上晶圆的顶面和所述下晶圆的底面之间的距离一致。
39.在一个实施方式中，所述同轴校验装置由不透光材料制成。
40.本发明还提供一种对准装置，用于实现上述的晶圆对准方法，包括：
41.视觉识别系统，其包括用于识别下晶圆的对准标记的下物镜和用于识别上晶圆的对准标记的上物镜；
42.下晶圆运动系统，其用于带动所述下晶圆移动，所述下晶圆运动系统包括用于承载下晶圆的上晶圆卡盘，所述下晶圆卡盘设置有与下晶圆的对准标记位置相对应的第一观察槽口，以使所述下物镜通过所述第一观察槽口识别下晶圆的对准标记；
43.上晶圆运动系统，其用于带动上晶圆移动，所述上晶圆运动系统包括用于承载上晶圆的上晶圆卡盘，所述上晶圆卡盘设置有与上晶圆的对准标记位置相对应的第二观察槽口，以使所述上物镜通过所述第二观察槽口识别所述上晶圆的对准标记；
44.位移控制系统，其分别与所述视觉识别系统、上晶圆运动系统和下晶圆运动系统相连，以控制所述视觉识别系统、上晶圆运动系统和下晶圆运动系统执行相应的操作；以及
45.同轴校验装置，其用于获取视觉识别系统的下物镜和上物镜之间的同轴度偏差，所述同轴校验装置的顶面上设置有第一同轴校验标记，所述同轴校验装置的底面上设置有第二同轴校验标记，所述第一同轴校验标记与所述第二同轴校验标记位于同一竖直直线上，所述同轴校验装置的轴向厚度与键合时所述上晶圆的顶面和所述下晶圆的底面之间的距离一致。
46.与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明中，将对准标记设置在上晶圆和下晶圆的背面，使视觉识别系统无需将其中一个晶圆移出其视场范围内以识别另一晶圆的对准标记，从而消除了下晶圆移出再移入环节带来的对准误差，提高了对准精度。同时，视觉识别系统能够同时捕捉上晶圆和下晶圆的对准标记，从而实时地对上晶圆与下晶圆的对准标记之间的位置偏差进行分析并干预调整，实现键合工艺前的对准精度的准确评估，有效提高键合的晶圆的合格率以及晶圆键合的加工效率，降低因解键合工艺不良也有引起晶圆碎裂的风险，具有显著的经济效益。
附图说明
47.在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。
48.图1是本发明的一个实施例的晶圆对准方法的流程图；
49.图2是本发明的另一个实施例的晶圆对准方法的流程图；
50.图3是本发明的一个实施例的步骤2的子流程图；
51.图4是本发明的一个实施例的步骤4的子流程图；
52.图5a-图5d是本发明的一个实施例的对准装置执行对准方法的过程示意图。
53.附图标记：
54.1、上晶圆；2、下晶圆；3、上物镜；4、下物镜；5、同轴校验装置；
55.6、上晶圆卡盘； 7、下晶圆卡盘；
56.11、上晶圆第一标记； 12、上晶圆第二标记；
57.21、下晶圆第一标记； 22、下晶圆第二标记；
58.51、第一同轴校验标记；52、第二同轴校验标记。
具体实施方式
59.下面将结合附图对本发明作进一步说明。
60.如图1中所示，本发明的晶圆对准方法，包括以下步骤：
61.步骤1：分别在上晶圆1的背面和下晶圆2的背面设置对准标记。
62.步骤2：使上晶圆1的背面朝向上方，下晶圆2的背面朝向下方，然后将上晶圆1和下晶圆2移动至对准工位，直至上晶圆1的对准标记和下晶圆2的对准标记均处于视觉识别系统的视场范围内。
63.步骤3：通过视觉识别系统的上物镜3识别上晶圆1的对准标记，同时通过视觉识别系统的下物镜4识别下晶圆2的对准标记，以获取上晶圆1的对准标记与下晶圆2的对准标记之间的位置偏差。
64.步骤4：基于位置偏差执行上晶圆1与下晶圆2之间的精动对准操作。
65.本发明中，将对准标记设置在上晶圆1和下晶圆2的背面，使视觉识别系统无需将其中一个晶圆移出其视场范围内以识别另一晶圆的对准标记，从而消除了下晶圆2移出再移入环节带来的对准误差，提高了对准精度。
66.同时，视觉识别系统能够同时捕捉上晶圆1和下晶圆2的对准标记，从而实时地对上晶圆1与下晶圆2的对准标记之间的位置偏差进行分析并干预调整，实现键合工艺前的对准精度的准确评估，有效提高键合的晶圆的合格率以及晶圆键合的加工效率，降低因解键合工艺不良也有引起晶圆碎裂的风险，具有显著的经济效益。
67.需要说明地是，上述的位置偏差可采用笛卡尔坐标系的坐标位置偏差。
68.下面对步骤1进行具体说明。
69.步骤1：分别在上晶圆1的背面和下晶圆2的背面设置对准标记。
70.其中，上晶圆1的正面与下晶圆2的正面相对以实现键合，上晶圆1的背面和下晶圆2的背面分别采用现有的晶圆刻蚀工艺刻蚀对准标记。
71.具体地，上晶圆1的对准标记包括设置在同一条过晶圆圆心划片道上且到晶圆圆心距离相同的上晶圆第一标记11和上晶圆第二标记12。下晶圆2的对准标记包括设置在同一条过晶圆圆心划片道上且到圆心距离相同的下晶圆第一标记21和下晶圆第二标记22。其中，晶圆对准时，上晶圆第一标记11与下晶圆第一标记21对准，上晶圆第二标记12与下晶圆第二标记22对准。
72.下面对步骤2进行具体说明。
73.步骤2：使上晶圆1的背面朝向上方，下晶圆2的背面朝向下方，然后将上晶圆1和下晶圆2移动至对准工位，直至上晶圆1的对准标记和下晶圆2的对准标记均处于视觉识别系统的视场范围内。
74.步骤2为上晶圆1与下晶圆2的粗动对准步骤，其中，上晶圆1和下晶圆2均移动至对准工位，并使视觉识别系统识别出两者的对准标记后，实现上晶圆1与下晶圆2的粗动对准。
75.具体地，如图3中所示，步骤2包括以下子步骤：
76.步骤21：将下晶圆2移动至对准工位的预设位置处，调整视觉识别系统的位置直至下物镜4识别出下晶圆2的对准标记，锁定视觉识别系统和下晶圆2的位置。
77.步骤22：将上晶圆1并移动至下晶圆2的上方，并调整上晶圆1的位置直至上物镜3识别出上晶圆1的对准标记。
78.其中，视觉识别系统的上物镜3识别上晶圆1的对准标记，下物镜4识别下晶圆2的对准标记。下晶圆2移动至对准工位的预设位置后，其对准标记作为基准点，下物镜4在识别出下晶圆2的对准标记后，视觉识别系统的位置锁定不再移动，再通过调整上晶圆1的位置直至上物镜3识别上晶圆1的对准标记，完成上晶圆1与下晶圆2的粗动对准，如此单一基准点的对准方式，能够提高粗动对准的精度和效率。
79.优选地，步骤21中，预设位置为下晶圆2的键合位置。在对准工序中，下晶圆2移动至其键合位置后位置锁定不再移动，对准工序完成后，键合工序可直接启动，从而避免移动对准后的上晶圆1与下晶圆2的环节带来的误差，保证键合时上晶圆1与下晶圆2的对准精度。
80.下面对步骤3进行具体说明。
81.步骤3：通过视觉识别系统的上物镜3识别上晶圆1的对准标记，同时通过视觉识别系统的下物镜4识别下晶圆2的对准标记，以获取上晶圆1的对准标记与下晶圆2的对准标记之间的位置偏差。
82.步骤3中，上晶圆1与下晶圆2粗动对准后对正重叠，视觉识别系统通过其上物镜3和下物镜4能够同时识别上晶圆1的对准标记和下晶圆2的对准标记，从而实时地获取上晶圆1与下晶圆2之间的位置偏差。
83.下面对步骤4进行具体说明。
84.步骤4：基于位置偏差执行上晶圆1与下晶圆2之间的精动对准操作。
85.步骤4中，实时地对上晶圆1与下晶圆2的对准标记之间的位置偏差进行分析并干预调整，提高对准精度，实现键合工艺前的对准精度的准确评估。
86.具体地，如图4中所示，步骤4包括以下子步骤：
87.步骤41：判断步骤3中获取的位置偏差是否处于预设偏差范围内，
88.若是，则判定上晶圆1与下晶圆2的精动对准完成，进入键合工序，
89.若否，则依次执行步骤42和步骤43。
90.步骤42：基于位置偏差对上晶圆1的位置姿态进行一次精动调整，并记录当前进行精动调整的次数。
91.步骤43：判断当前进行精动调整的次数是否超过预设次数，
92.若是，则控制上晶圆1和下晶圆2从对准工位退出，以结束对准工序；若否，则返回执行步骤3的操作。
93.本实施例中，上晶圆1与下晶圆2之间的位置偏差收敛至理想的预设偏差范围内，则对准工序完成，键合工序开始。若精动调整次数达到预设次数(预设的上限值)后，若上晶圆1与下晶圆2之间的位置偏差仍未收敛理想的预设偏差范围内，则对准工序停止，键合工序不启动，上晶圆1与下晶圆2从对准工位退出，技术人员介入分析问题原因。
94.进一步具体地，基于位置偏差对上晶圆1的位置姿态进行一次精动调整包括：根据位置偏差计算精动调整补偿值，并根据计算出的精动调整补偿值对上晶圆1的位置姿态进行精动调整，以实现上晶圆1与下晶圆2的精动对准。
95.其中，上晶圆1的位置姿态包括上晶圆1的坐标位置和平行度等。
96.下面对步骤0进行具体说明。
97.步骤1之前还包括计算视觉识别系统的下物镜4和上物镜3之间的同轴度偏差的步骤：步骤0：使上物镜3识别同轴校验装置5顶面上的第一同轴校验标记51，同时使下物镜4识别同轴校验装置5底面上的第二同轴校验标记52，以获取下物镜4和上物镜3之间的同轴度偏差。
98.同轴校验装置5的第一同轴校验标记51与第二同轴校验标记52位于同一竖直直线上。
99.换言之，步骤0中，通过同轴校验装置5测量上物镜3与下物镜4之间的同轴度偏差，从而在后续操作中消除或予以补偿。
100.具体地，如图2中所示，步骤3还包括：根据步骤0中计算出的下物镜4和上物镜3之间的同轴度偏差校正获取的位置偏差。步骤4中，基于校正后的位置偏差执行上晶圆1与下晶圆2之间的精动对准操作。
101.优选地，同轴校验装置5的轴向厚度与键合时上晶圆1的顶面和下晶圆2的底面之间的距离一致。
102.具体地，同轴校验装置5由不透光材料制成，以使上物镜3不能透过同轴校验装置5识别同轴校验装置5底面的第二同轴校验标记52，
103.需要说明地是，同轴校验装置5的第一同轴校验标记51和第二同轴校验标记52应与上晶圆1的对准标记和下晶圆2的校验标记采用相同的刻蚀工艺，以保证平面位置、图案类型及大小的一致性。
104.如图5a至图5d中所示，本发明还提供一种对准装置，用于实现上述的晶圆对准方法，包括：视觉识别系统、下晶圆2运动系统、上晶圆1运动系统、位移控制系统和同轴校验装置5。位移控制系统分别与视觉识别系统、上晶圆1运动系统和下晶圆2运动系统相连，以控制视觉识别系统、上晶圆1运动系统和下晶圆2运动系统执行相应的操作，实现上晶圆1与下晶圆2的对准。
105.其中，视觉识别系统包括用于识别下晶圆2的对准标记的下物镜4和用于识别上晶圆1的对准标记的上物镜3。
106.下晶圆2运动系统用于带动下晶圆2移动。下晶圆2运动系统包括用于承载下晶圆2的下晶圆卡盘7，下晶圆卡盘7设置有与下晶圆2的对准标记位置相对应的第一观察槽口，以使下物镜4通过第一观察槽口识别下晶圆2的对准标记。进一步地，下晶圆2运动系统包括下运动台，下晶圆卡盘7设置在下运动台上。
107.上晶圆1运动系统用于带动上晶圆1移动。上晶圆1运动系统包括用于承载上晶圆1
的上晶圆卡盘6，上晶圆卡盘6设置有与上晶圆1的对准标记位置相对应的第二观察槽口，以使上物镜3通过第二观察槽口识别上晶圆1的对准标记。进一步地，上晶圆1运动系统包括精动对准调节装置，例如纳米定位运动台，上晶圆卡盘6设置在精动对准调节装置上，从而通过精动对准调节装置实现对上晶圆1位置姿态的精动调整。
108.同轴校验装置5用于获取视觉识别系统的下物镜4和上物镜3之间的同轴度偏差，同轴校验装置5的顶面上设置有第一同轴校验标记51，同轴校验装置5的底面上设置有第二同轴校验标记52，第一同轴校验标记51与第二同轴校验标记52位于同一竖直直线上，同轴校验装置5的轴向厚度与键合时上晶圆1的顶面和下晶圆2的底面之间的距离一致。
109.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“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；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。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。
110.本发明中提到的“上”、“下”等描述是按照通常的意义而定义的，比如，参考重力的方向定义，重力的方向是下方，相反的方向是上方，类似地在上方的是顶部，在下方的是底部，也仅为便于叙述明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，也当视为本发明可实施的范畴。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
111.虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。