晶圆对准键合设备的制作方法

1.本实用新型属于半导体制作技术领域，尤其涉及一种晶圆对准键合设备。


背景技术：

2.随着经济的发展，社会的进步，人们对精密电子仪器的需求日益增长，集成电路的发展尤为迅速，晶圆作为集成电路的一种基础材料，在现代生产过程中也越来越离不开。soi晶圆(silicon on insulator：指在绝缘体上形成硅单晶体的结构)作为近年来新研发的一种制作芯片的方式，现在已经越来越受到国内外芯片生产的重视。对soi晶圆键合设备的研究，可以有效提高soi晶圆的产品质量，同时弥补国产机台的缺失。
3.晶圆对准键合的方式是soi自研机台的核心，决定了机台内部零件的结构、组成和排布，以及设计过程中所用到的各种零件类型，常规的对准键合的方式是晶圆吸附在吸盘上，通过吸盘的运动来使晶圆到对位中心，然后进行键合工艺，但soi晶圆键合设备采用了晶圆运动而吸盘固定的形式，这种形式可以大大减少机台内部的运动组件，同时可以将运动分布，更方便的控制，但与其他方式来比较，其精度较低，不能满足精度要求极高的场合。


技术实现要素：

4.本实用新型提供一种晶圆对准键合设备，用于解决上述技术问题。
5.本实用新型提供一种晶圆对准键合设备，包括：对准机构、隔离机构和用于承载晶圆的吸盘，
6.所述对准机构包括定位件和至少两个夹持单元，所述定位件和至少两个所述夹持单元围绕所述吸盘的外周间隔设置，
7.所述定位件用于与所述晶圆上的卡槽相配合，所述夹持单元能够沿所述吸盘的径向往复移动，其中，所述夹持单元朝向所述吸盘的圆心移动时能够带动所述晶圆朝向所述定位件移动，以使所述定位件卡入所述晶圆的卡槽中，从而完成对所述晶圆的定位和夹持；
8.所述隔离机构包括至少三个隔离单元，至少三个所述隔离单元围绕所述吸盘的外周间隔设置，所述隔离单元能够同步沿所述吸盘的径向往复移动，以分隔所述吸盘上重合的两个晶圆。
9.在一个实施方式中，所述对准机构还包括转动单元，所述转动单元设置在所述吸盘的外周边缘处，所述转动单元能够转动以带动所述晶圆的卡槽与所述定位件对准。
10.在一个实施方式中，还包括用于驱动所述夹持单元的第一驱动机构，所述第一驱动机构与所述夹持单元一一对应，
11.所述第一驱动机构包括气缸，所述气缸的伸缩端与相应的所述夹持单元相连，以带动所述夹持单元沿所述吸盘的径向往复移动。
12.在一个实施方式中，还包括用于驱动所述隔离单元的第二驱动机构，所述第二驱动机构与所述隔离单元一一对应，
13.所述第二驱动机构包括相连的电机和摆动杆，所述摆动杆沿所述吸盘的径向延
伸，所述摆动杆靠近所述吸盘的一端与相应的所述隔离单元相连，
14.所述电机的转轴旋转以使所述摆动杆带动所述隔离单元沿所述吸盘的径向往复移动。
15.在一个实施方式中，还包括支柱组件，所述支柱组件包括至少三个可沿竖直方向往复移动的支柱，至少三个所述支柱沿设置在所述吸盘的中央并沿周向均匀地间隔设置。
16.在一个实施方式中，还包括真空腔室系统，
17.所述真空腔室系统包括箱体和设置在箱体顶部的可开合的上盖，所述箱体与所述上盖之间设置有密封的真空腔，所述对准机构、所述隔离机构和所述吸盘均设置在所述真空腔中。
18.在一个实施方式中，所述真空腔室系统还包括抽真空装置，
19.所述真空腔的底部设置有抽气口，所述抽真空装置与所述抽气口相连，所述抽气口中设置有真空滤网。
20.在一个实施方式中，所述上盖上设置有用于观察真空腔内部的视窗组件。
21.在一个实施方式中，所述真空腔室系统包括两个顶升气缸，两个所述顶升气缸分别设置在所述箱体的两侧，两个所述顶升气缸的伸缩端分别与所述上盖的相应侧铰接，以带动所述上盖的开合。
22.在一个实施方式中，还包括压合组件，所述压合组件包括压头、第三驱动机构、转轴和连杆，
23.所述连杆通过所述转轴可旋转地连接在所述真空腔的内壁上，所述压头设置在所述连杆的第一端，所述第三驱动机构设置在所述上盖的外侧并且其驱动端伸入所述真空腔中与所述连杆的与其第一端相对的第二端相连，
24.所述第三驱动机构带动所述连杆的第二端向上移动，从而带动所述压头向下以对所述吸盘上承载的晶圆进行压合。
25.与现有技术相比，本实用新型的优点在于：本实用新型中，将晶圆的卡槽作为定位基础，设置能够使其机械对位的定位件，并通过夹紧单元的推力完成晶圆的卡槽与定位件的精确定位。在晶圆键合过程中，夹紧单元依次对作为底片的晶圆和作为上片的晶圆依次完成精确定位操作，其中，完成底片定位对准后通过隔离单元将作为上片与底片隔离，再通过夹紧单元完成上片的定位对准。本实用新型中，采用机械对准地方式实现晶圆的对准，且无需制作需要运动的吸盘，提高了晶圆的对准精度和效率，有利于保证晶圆键合的质量。
附图说明
26.在下文中将基于实施例并参考附图来对本实用新型进行更详细的描述。
27.图1是本实用新型的一个实施例中的晶圆对准键合设备的结构示意图；
28.图2是本实用新型的一个实施例中的晶圆对准键合设备的剖视图；
29.图3是本实用新型的一个实施例中的真空腔内部结构的俯视图；
30.图4是本实用新型的一个实施例中的真空腔底部结构的仰视图。
31.附图标记：
32.1、吸盘；
33.21、定位件；22、第一夹持单元；23、第二夹持单元；
34.24、转动单元；25、第一底座；
35.31、第一隔离单元；32、第二隔离单元；33、第三隔离单元；
36.34、第二底座；
37.41、支柱；42、第三底座；
38.51、真空腔；52、箱体；53、上盖；54、真空滤网；
39.55、视窗组件；56、顶升气缸；57、真空规；
40.61、压头；62、第三驱动机构；63、连杆；64、压合位置；
41.7、门阀组件。
具体实施方式
42.下面将结合附图对本实用新型作进一步说明。
43.如图1-4中所示，本实用新型提供一种晶圆对准键合设备，包括：对准机构、隔离机构和用于承载晶圆的吸盘1。对准机构包括定位件21和至少两个夹持单元，定位件21和至少两个夹持单元围绕吸盘1的外周间隔设置。定位件21用于与晶圆上的卡槽相配合，夹持单元能够沿吸盘1的径向往复移动，其中，夹持单元朝向吸盘1的圆心移动时能够带动晶圆朝向定位件21移动，以使定位件21卡入晶圆的卡槽中，从而完成对晶圆的定位和夹持。隔离机构包括至少三个隔离单元，至少三个隔离单元围绕吸盘1的外周间隔设置，隔离单元能够同步沿吸盘1的径向往复移动，以分隔吸盘1上待键合的两个晶圆。
44.本实用新型中，将晶圆的卡槽作为定位基础，设置能够使其机械对位的定位件21，并通过夹紧单元的推力完成晶圆的卡槽与定位件21的精确定位。在晶圆键合过程中，夹紧单元依次对作为底片的晶圆和作为上片的晶圆依次完成精确定位操作，其中，完成底片定位对准后通过隔离单元将作为上片与底片隔离，再通过夹紧单元完成上片的定位对准。
45.本实用新型中，采用机械对准地方式实现晶圆的对准，且无需制作需要运动的吸盘1，提高了晶圆的对准精度和效率，有利于保证晶圆键合的质量。
46.具体地，上述的定位件21为定位柱或定位块。优选地，定位件21的横截面的形状与晶圆的卡槽的形状相适配。
47.需要说明地是，本实用新型中，对准机构中，定位件21在吸盘1上的位置固定，能够保证晶圆的对准精度，通过至少两个夹持单元的沿吸盘1的朝向吸盘1的圆心运动可将吸盘1(防放置区)上的晶圆朝向定位件21推动，以完成晶圆的对准。同时，定位件21无需设置相应的驱动机构，有利于降低设备结构的复杂度，并节约成本。
48.优选地，对准机构还包括转动单元24，转动单元24设置在吸盘1的外周边缘处，转动单元24能够转动以带动晶圆的卡槽与定位件21对准。其中，通过设置转动单元24，能够更好地进行晶圆的对准操作，因其可以转动，在夹持单元进行夹紧动作时能够转动以弥补(机械手)在放置晶圆时造成的位置偏差。
49.具体地，上述的转动单元24可以是转动轴承。
50.在一个实施例中，对准机构还包括用于驱动夹持单元的第一驱动机构，第一驱动机构与夹持单元一一对应。
51.具体地，第一驱动机构包括气缸，所述气缸的伸缩端与相应的所述夹持单元相连，以带动所述夹持单元沿所述吸盘1的径向往复移动。
52.进一步具体地，上述的气缸采用单作用气缸。第一驱动机构设置在第一底座25上。
53.其中，夹持单元承载对晶圆的定位对准功能，其既需要有足够的推动力，由需要结构稳定可靠，因此采用(单作用)气缸驱动夹持单元的往复移动，能够使晶圆在边缘贴合的情况下仍能够保证对准的精度，实现夹紧功能。
54.优选地，如图3中所示，夹持单元的数量设置为两个，分别为第一夹持单元22和第二夹持单元23。相应地，第一驱动机构的数量也为两个。
55.在一个实施例中，隔离机构还包括用于驱动隔离单元的第二驱动机构，第二驱动机构与隔离单元一一对应。
56.具体地，第二驱动机构包括相连的电机和摆动杆，摆动杆沿吸盘1的径向延伸，摆动杆靠近吸盘1的一端与相应的隔离单元相连，电机的转轴旋转以使摆动杆带动隔离单元沿吸盘1的径向往复移动。
57.进一步具体地，上述的电机采用直流微电机。第二驱动机构设置在第二底座34上。
58.其中，隔离单元承担对待键合的两片晶圆(底片和上片)的承载和分隔作用，在其移动过程中应尽可能地保持平稳可靠，因此隔离单元采用电机带动摆动杆的驱动方式，以实现隔离单元沿吸盘1径向的匀速平稳的往复移动。
59.优选地，如图3中所示，隔离单元的数量设置为三个，分别为第一隔离单元31、第二隔离单元32和第三隔离单元33。相应地，第二驱动机构的数量也为三个。
60.在一个实施例中，晶圆对准键合设备还包括支柱41组件，支柱41组件包括至少三个可沿竖直方向往复移动的支柱41，至少三个支柱41沿设置在吸盘1的中央并沿周向均匀地间隔设置。
61.其中，支柱41组件主要起到晶圆的承接转运的作用。
62.优选地，支柱41的数量为三个。
63.具体地，支柱41组件还包括升降驱动机构，所述升降驱动机构包括能够沿竖直方向往复移动的升降台，所述支柱41均设置在所述升降台的顶面上。其中，升降驱动机构带动支柱41同步升降，以对晶圆进行承接转运。
64.进一步具体地，升降驱动机构采用滑台气缸。升降驱动机构设置在第三底座42上。
65.在一个实施例中，晶圆对准键合设备还包括真空腔室系统。
66.具体地，真空腔室系统包括箱体52和设置在箱体52顶部的可开合的上盖53，箱体52与上盖53之间设置有密封的真空腔51，对准机构、隔离机构和吸盘1均设置在真空腔51中。
67.进一地，对准机构、隔离机构和吸盘1设置在真空腔51的底板上。
68.本实施例中，晶圆的对准键合工艺在真空环境中进行，使得晶圆键合的质量进一步提升。
69.如图1-2中所示，真空腔室系统包括两个顶升气缸56，两个顶升气缸56分别设置在箱体52的两侧，两个顶升气缸56的伸缩端分别与上盖53的相应侧铰接，以带动上盖53的开合。
70.真空腔室系统还包括抽真空装置。真空腔51的底部设置有抽气口，抽真空装置与抽气口相连，抽气口中设置有真空滤网54。其中，真空滤网54用于保护抽真空装置。
71.具体地，抽真空装置包括干泵和分子泵，以用于对真空腔51抽真空，使其达到键合
工艺所需的真空度。其中，干泵作为前级泵，抽气口中的设置的真空滤网54可以保护分子泵。
72.进一步地，真空腔51的底部还设置有用于检测真空腔51的真空度的真空规57。
73.优选地，上盖53上设置有用于观察真空腔51内部的视窗组件55。通过设置视窗组件55能够方便操作人员观察真空腔51内进行的对准工程和键合过程，以规避风险。
74.具体地，真空腔51的底部设置有门阀组件7。其中，通过门阀组件7可以将真空腔51从其底部打开以传送晶圆。
75.进一步地，门阀组件7通过焊接法兰安装在真空腔51的底部。
76.在一个实施例中，晶圆对准键合设备还包括压合组件。压合组件用于对对准后的两个晶圆(底片和上片)进行键合。
77.具体地，压合组件包括压头61、第三驱动机构62、转轴和连杆63。连杆63通过转轴可旋转地连接在真空腔51的内壁上，压头61设置在连杆63的第一端，第三驱动机构62设置在上盖53的外侧并且其驱动端伸入真空腔51中与连杆63的与其第一端相对的第二端相连，第三驱动机构62带动连杆63的第二端向上移动，从而带动压头61向下以对吸盘1上承载的晶圆进行压合。
78.进一步地，连杆63的第二端设置有微动位移台，第三驱动机构62带动微动位移台向上移动时，因为杠杆效应，压头61会向下移动。通过控制微动位移台向下移动的位置终点以达到对待键合的两个晶圆施加的压合力的大小。
79.具体地，第三驱动机构62可采用电机。
80.需要说明地是，压头61的位置根据工艺条件设置，压头61由连杆63的运动而带动，且其最终停止位置要与晶圆垂直，以保证键合效果最好。压头61的压合位置64，如图3中所示，在距离晶圆的卡槽30mm-50mm位置处的压合效果为经验最好的区域。
81.此外，优选地，上述的视窗组件55与压头61上下相对设置，以便于操作人员观察晶圆的键合。
82.下面具体说明采用本实用新型的晶圆键合设备进行对准键合的具体流程：
83.晶圆键合设备启动
→
真空腔室系统的上盖53打开以及支柱41组件上升
→
接受作为底片的晶圆
→
支柱41组件下降
→
真空腔室系统的上盖53关闭并抽真空
→
第一夹持单元22伸出
→
第二夹持单元23伸出
→
传送作为上片的晶圆
→
设备机械手翻转
→
两个夹持单元退回
→
三个隔离单元伸出
→
第二夹持单元23伸出
→
第二夹持单元23退回
→
第一夹持单元22伸出
→
第一隔离单元31退回
→
第一夹持单元22退回
→
第一夹持单元22伸出
→
第二隔离单元32和第三隔离单元33退回
→
第一夹持单元22退回
→
开始压合。
84.在本实用新型的描述中，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实用新型中的具体含义。
85.本实用新型中提到的“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，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变
或调整，在无实质变更技术内容下，也当视为本实用新型可实施的范畴。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”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”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
86.虽然已经参考优选实施例对本实用新型进行了描述，但在不脱离本实用新型的范围的情况下，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。本实用新型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。