晶圆键合设备及方法与流程

1.本技术涉及半导体技术领域，涉及但不限于一种晶圆键合设备及方法。


背景技术：

2.目前，在半导体技术领域中，晶圆与晶圆的键合工艺已经成为核心工艺。晶圆键合技术，是指将两片经过抛光的晶圆紧密粘接在一起。具体地，通过上下吸盘分别吸附待键合的两片晶圆，利用顶针对上方晶圆进行顶推，直至该晶圆的中心发生形变并与位于其下方的晶圆接触，形成键合波后由中心向边缘运动，从而利用反向张力和范德华力完成键合。
3.然而，在现有技术中，利用反向张力和范德华力进行晶圆键合容易产生气泡，并且键合不严。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本技术实施例提供了一种晶圆键合设备及方法。
5.第一方面，本技术实施例提供了一种晶圆键合设备，所述设备包括：
6.第一固定组件，用于固定第一晶圆；
7.第二固定组件，用于固定第二晶圆；其中，所述第二固定组件用于固定所述第二晶圆的表面与所述第一固定组件用于固定所述第一晶圆的表面相对；
8.加压组件，连接所述第一固定组件，用于在晶圆键合时为所述第一晶圆与第二晶圆的键合提供压力。
9.在一些实施例中，所述加压组件包括：
10.气源，用于提供cda(clean dry air，压缩干燥空气)；
11.第一气动阀，与所述气源连接；在所述第一气动阀开启的状态下，所述cda通过所述第一气动阀向所述第一晶圆表面提供压力。
12.在一些实施例中，所述第一固定组件包括：
13.第一通孔，位于所述第一固定组件的表面，与所述第一气动阀连接，用于在所述第一气动阀开启的状态下，使所述cda流向所述第一晶圆的表面。
14.在一些实施例中，所述第一固定组件包括至少两组所述第一通孔，各组所述第一通孔分别位于所述第一晶圆不同半径的圆周的对应位置上。
15.在一些实施例中，所述至少两组第一通孔在所述第一固定组件释放所述第一晶圆时，用于由内向外依次向所述第一晶圆的表面提供所述cda。
16.在一些实施例中，所述第一固定组件还包括：
17.第二通孔，位于所述第一固定组件表面；
18.第二气动阀，与所述第二通孔连接，用于通过调节所述第二通孔内的气压固定或释放所述第一晶圆。
19.在一些实施例中，所述第一固定组件还包括：
20.顶针，位于所述第一固定组件与所述第一晶圆的接触面的中心；所述顶针在伸长
的状态下，所述第一晶圆的中心与所述第一固定组件分离。
21.在一些实施例中，所述第二固定组件包括：
22.第三通孔，位于所述第二固定组件表面；
23.第三气动阀，与所述第三通孔连接，用于通过调节所述第三通孔内的气压固定或释放所述第二晶圆。
24.另一方面，本技术实施例提供了一种晶圆键合方法，所述方法包括：
25.固定待键合的第一晶圆和第二晶圆；其中，所述第一晶圆的第一表面和所述第二晶圆的第二表面为晶圆的键合面，所述第一表面和所述第二表面相对；
26.沿所述第一晶圆半径方向由内向外依次向所述第一晶圆的第三表面施加压力，使所述第一表面与所述第二表面键合；其中，所述第一晶圆的第三表面为背离所述第二晶圆的表面。
27.在一些实施例中，所述沿所述第一晶圆半径方向由内向外依次向所述第一晶圆的第三表面施加压力，使所述第一表面与所述第二表面键合，包括：
28.向所述第一晶圆的第三表面的圆心位置施加压力，使所述第一晶圆的圆心与所述第二晶圆的圆心相对的区域键合；
29.沿所述第一晶圆半径方向，从内向外依次向所述第一晶圆的的第三表面施加压力，使所述第一表面与所述第二表面键合。
30.在一些实施例中，所述沿所述第一晶圆半径方向由内向外依次向所述第一晶圆的第三表面施加压力，包括：
31.通过沿所述第一晶圆半径方向由内向外依次向所述第一晶圆的第三表面提供cda，向所述第三表面施加压力。
32.在一些实施例中，所述固定待键合的第一晶圆和第二晶圆，包括：
33.通过负压的方式，将所述第一晶圆固定在所述第一固定组件的固定面；
34.通过负压的方式，将所述第一晶圆固定在所述第二固定组件的固定面；其中，所述第二固定组件的固定面与所述第一固定组件的固定面相对。
35.本技术实施例提供了一种晶圆键合设备及方法，该晶圆键合设备通过加压组件在晶圆键合过程中为第一晶圆与第二晶圆的键合提供压力，从而解决了反向张力和范德华力较弱导致的键合效果不佳的问题，改善了晶圆键合的力度和均匀度，减少了气泡的出现，从而提升了产品的良率。
附图说明
36.在附图(其不一定是按比例绘制的)中，相似的附图标记可在不同的视图中描述相似的部件。具有不同字母后缀的相似附图标记可表示相似部件的不同示例。附图以示例而非限制的方式大体示出了本文中所讨论的各个实施例。
37.图1为本技术实施例提供的晶圆键合设备的结构示意图；
38.图2为本技术实施例提供的加压组件的结构示意图；
39.图3为本技术实施例提供的第一固定组件的一种可选的结构示意图；
40.图4为本技术实施例提供的第一固定组件的固定面的示意图；
41.图5为本技术实施例提供的第一固定组件的一种可选的的结构示意图；
42.图6为本技术实施例提供的顶针的一种可选的的结构示意图；
43.图7为本技术实施例提供的第二固定组件的一种可选的的结构示意图；
44.图8为本技术实施例提供的晶圆键合方法的流程示意图。
具体实施方式
45.以下结合附图及具体实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。并且，下面描述的实施例，仅仅是本技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。本技术领域的普通技术人员，根据这些实施例，在不付出创造性劳动的前提下获得的所有其它实施例，均属于本发明保护的范围。
46.第一方面，本技术实施例提供了一种晶圆键合设备，如图1所示，所述设备包括：
47.第一固定组件110，用于固定第一晶圆111；
48.第二固定组件120，用于固定第二晶圆121；其中，所述第二固定组件120用于固定所述第二晶圆121的表面122与所述第一固定组件110用于固定所述第一晶圆111的表面112相对；
49.加压组件130，连接所述第一固定组件110，用于在晶圆键合时为所述第一晶圆111与第二晶圆121的键合提供压力。
50.固定组件是指利用吸附、夹持和粘接等方式使待固定物体保持不变动或不移动的器件，包括但不限于吸盘、机械手臂和卡扣等。在本技术实施例中，第一固定组件可以是机械吸盘，又称真空吸盘或真空吸嘴，其原理是通过真空设备的抽吸，使吸盘内产生负气压，从而使待吸附物体吸牢。进一步地，第一固定组件可以用于吸附待键合的第一晶圆，并将其转移至待键合的区域。相对地，第二固定组件可以是真空承载台、真空底座等，用于通过负气压的方式固定待键合的第二晶圆。利用真空吸附的固定组件可以降低成本，避免转移过程中对晶圆造成损伤。
51.需要说明的是，本技术实施例涉及的第一晶圆和第二晶圆需要根据实际生产需求确定，这里的晶圆是指一般的含义，即制作硅半导体电路所用的硅晶片，其原始材料为硅。其制作过程为：高纯度的多晶硅溶解后参数硅晶体晶种，然后慢慢拉出，形成圆柱形的单晶硅，硅晶棒在经过研磨，抛光，切片后形成硅晶圆片，即晶圆。
52.在本技术实施例中，为实现晶圆的键合，需要将第一晶圆与第二晶圆相对设置，从而进行两晶圆的键合操作。示例性地，第一固定组件固定第一晶圆并具有与第一晶圆接触的固定面，第二固定组件固定第二晶圆并具有与第二晶圆接触的固定面，从而第一固定组件的固定面也应该与第二固定组件的固定面相对。
53.加压组件是指施加压力作用的器件，可以包括增压泵、加压缸等。这里所说的压力作用可以是通过气压、水压等产生的压力，也可以是专用器械直接接触产生的压力。在本技术实施例中，通过加压组件提供晶圆键合时所需的压力，并且该加压组件可以通过气体导管连接第一固定组件。其中，气体导管用于运输加压组件提供的气体，并使气体流向第一固定组件。
54.通过上述加压组件，可以增大晶圆键合时的压力，解决了反向张力和范德华力较弱导致键合效果不佳的问题，并且能够改善晶圆键合的力度和均匀度。由于力度增加，均匀度提升，可以减少晶圆键合时气泡的出现，提升了产品的良率。
55.在一些实施例中，如图2所示，所述加压组件130包括：
56.气源131，用于提供cda；
57.第一气动阀132，与所述气源131连接；在所述第一气动阀132开启的状态下，所述cda通过所述第一气动阀132向所述第一晶圆111表面提供压力。
58.气源是指提供气体的器件，可以包括气压发生部件，用于压缩气体产生气压；压缩气体处理系统，将压缩后的气体按需处理；压缩气体分配系统，将处理后的压缩气体按需分配。
59.在本技术实施例中，上述气源用于提供洁净干燥的压缩空气，即上述cda。cda是将压缩空气干燥后得到的，其中，干燥方法包括但不限于吸附干燥、冷冻干燥、潮解干燥和渗膜干燥等。
60.气动阀是指调节压缩空气流量的阀门，可以由执行部件和调节部件组成。示例性地，执行部件是气动阀的推力部件，它按照控制信号所指示的压力大小来产生相应的推力，从而推动气动阀调节部件的动作。气动阀的调节部件包括阀体，它是直接与压缩气体接触，从而调节气体的流量。
61.本技术实施例中，第一气动阀与上述气源通过气体导管进行连接，需要说明的是，这里的气体导管应该对上述cda不产生影响。示例性地，当第一气动阀的调节部件打开时，cda可通过阀体，从而继续流向第一晶圆表面，并向第一晶圆的表面提供压力；当第一气动阀的调节部件关闭时，cda无法通过阀体。这里，在上述第一气动阀开启的状态下，cda流向第一晶圆表面使得单位面积上的气体压强增大，从而对第一晶圆表面产生压力。
62.本技术实施例中涉及的气源、第一气动阀和气体导管对cda起到连通、运输和调节的作用，在较低成本的前提下，也可以向第一晶圆提供晶圆键合时所需的压力。并且，这种方式不会对晶圆产生机械损伤。
63.在一些实施例中，如图3所示，所述第一固定组件110包括：
64.第一通孔113，位于所述第一固定组件110的表面，与所述第一气动阀132连接，用于在所述第一气动阀132开启的状态下，使所述cda流向所述第一晶圆111的表面。
65.在本技术实施例中，第一通孔是位于第一固定组件表面的气孔，用于实现气体的流通。这里，第一通孔与上述实施例中的第一气动阀连接，便于向第一晶圆表面提供cda，因此，当第一气动阀开启时，cda通过第一通孔向第一晶圆的表面吹气，进而提供键合所需的压力。
66.在一些实施例中，第一通孔可以贯穿第一固定组件，，也可以位于第一固定组件的内部。无论第一通孔的形状或长度如何，其一端位于第一固定组件的固定面，朝向第一晶圆的表面；另一端与第一气动阀连接。
67.需要说明的是，第一通孔的数量可以有多个，并且可以均匀分布在第一固定组件的固定面上，从而为第一晶圆提供均匀的气压。
68.在一些实施例中，图4为第一固定组件的固定面114(即与第一晶圆接触的表面)的示意图。如图4所示，所述第一固定组件包括至少两组所述第一通孔113，各组所述第一通孔113分别位于所述第一晶圆不同半径的圆周的在固定面114的对应位置上。
69.示例性地，第一固定组件可以包括至少两组上述第一通孔，每组有多个第一通孔(不同组中第一通孔的数量可以相同也可以不同)，每组第一通孔位于上述不同的同心圆的
圆周所对应的位置上。例如，第一组第一通孔有4个，位于比较靠近圆心的圆周位置上并均匀分布；第二组第一通孔有8个，位于相对远离圆心的圆周位置上并均匀分布。
70.需要说明的是，上述对应的位置是指第一通孔位于垂直于晶圆表面的方向上，并且通孔的中心在上述方向的投影落在晶圆表面的某个同心圆的圆周上。因此，不同组的第一通孔位于第一晶圆的不同的对应位置上。
71.在一些实施例中，所述至少两组第一通孔在所述第一固定组件释放所述第一晶圆时，用于由内向外依次向所述第一晶圆的表面提供所述cda。
72.在本技术实施例中，第一固定组件可以是真空吸盘，具有固定和释放第一晶圆的作用。其通过真空设备抽气和吹气，可以调节吸盘内外的气压。当吸盘内外的气压接近平衡时，可以释放上述第一晶圆。
73.进一步地，本技术实施例中，沿第一晶圆表面的半径方向上分布有多组对应的第一通孔。由内向外，即沿半径方向从圆心向圆周方向，依次向第一晶圆表面提供cda。这里，cda直接接触第一晶圆表面，由于在面积不变的情况下，气体的压强增大，因此产生了施加在第一晶圆表面的压力。并且cda的流量和流速可以进行人为的控制。
74.本技术实施例由内向外依次提供cda可以使晶圆由圆心向外依次键合，从而有效地减少了气泡的产生。
75.在一些实施例中，如图5所示，所述第一固定组件110还包括：
76.第二通孔115，位于所述第一固定组件110表面；
77.第二气动阀116，与所述第二通孔115连接，用于通过调节所述第二通孔115内的气压固定或释放所述第一晶圆111。
78.示例性地，第二通孔也是位于第一固定组件表面(即上述固定面)的气孔。这里，第二通孔与第二气动阀通过气体导管连接，用于在真空设备抽气或吹气时使得气体流入或流出，从而改变第二通孔内的气压。具体地，在第二气动阀开启的状态下，真空设备抽气使第二通孔内气压减小，可以产生负气压并用于固定第一晶圆；在第二气动阀开启的状态下，真空设备吹气使第二通孔内气压增大，可以平衡气压差并用于释放第一晶圆。
79.需要说明的是，在一些实施例中，第二通孔可以与上述第一通孔为同一组通孔，即既可以通过该通孔进行抽气和吹气用于固定或释放第一晶圆，又可以通过该通孔使cda流向第一晶圆的表面。具体地，首先打开第二气动阀，关闭第一气动阀，通过该通孔内外的负气压将第一晶圆固定在第一固定组件上；在晶圆键合时，关闭第二气动阀，并打开第一启动阀，使第一晶圆在自身的重力下被释放，cda通过该通孔向第一晶圆的表面施加压力；在键合完成后，关闭第一气动阀。这里，第一气动阀和第二气动阀与通孔连接的气体导管可以共用一部分，从而节约了成本。
80.此外，第二气动阀与上述加压组件中的第一气动阀也可以为共用的同一气动阀，该气动阀一方面可以通过抽气提供负压，另一方面也可以通过向第一晶圆表面提供cda使得第一晶圆被释放，并进一步受到气压的作用而实现键合。
81.在另一些实施例中，第二通孔与第一通孔不共用，即第二气动阀与第一气动阀分别通过不同的气体导管连接第二通孔与第一通孔，并不存在气体导管共用的部分，各部件之前独立的工作，完成晶圆键合的过程。
82.在一些实施例中，如图6所示，所述第一固定组件110还包括：
83.顶针117，位于所述第一固定组件110与所述第一晶圆111的接触面的中心；所述顶针117在伸长的状态下，所述第一晶圆111的中心与所述第一固定组件110分离。
84.本技术实施例中的顶针可以包括针体和针头，针体部分可以伸长或缩短以调节顶针，针头则是直接与工件接触的部分，可以通过直接接触产生压力来推动工件的移动。
85.本技术实施例中，顶针的针头部分采用较平坦的表面。示例性地，第一固定组件与第一晶圆的接触面的中心可以是第一晶圆的圆心，通过伸长上述顶针，使顶针的针头与第一晶圆的圆心部分直接接触，从而产生压力，将第一晶圆推离第一固定组件。进一步地，由于顶针的作用，使得第一晶圆产生形变，从而引起第一晶圆内部自身张力的变化。在第一晶圆中心分离、边缘固定的状态下，产生的反向张力和晶圆接触时的范德华力可以将第一晶圆与第二晶圆键合。
86.需要说明的是，本技术实施例可以是在顶针提供压力的前提下通过加压组件提供辅助压力实现晶圆键合，另一方面，也可以不使用顶针，直接利用加压组件产生比反向张力和范德华力更大的压力，从而实现晶圆的键合。
87.在一些实施例中，如图7所示，所述第二固定组件120包括：
88.第三通孔123，位于所述第二固定组件120表面；
89.第三气动阀124，与所述第三通孔123连接，用于通过调节所述第三通孔123内的气压固定或释放所述第二晶圆121。
90.本技术实施例中，第二固定组件可以是承载台，用于固定第二晶圆。具体地，在第二固定组件表面具有与上述第二通孔相似的气孔，即第三通孔，其作用与上述第二通孔相似，并与第三气动阀通过气体导管连接。在第三气动阀开启的状态下，通过真空设备抽气，可以使承载台内外产生负气压，从而固定第二晶圆；在第三气动阀开启的状态下，通过真空设备吹气，可以使承载台内外的气压接近平衡，从而使第二晶圆被释放，后续再利用机械手臂等器件将第二晶圆移出上述第二固定组件。
91.另一方面，本技术实施例提供了一种晶圆键合方法，如图8所示，所述方法包括：
92.步骤s801、固定待键合的第一晶圆和第二晶圆；其中，所述第一晶圆的第一表面和所述第二晶圆的第二表面为晶圆的键合面，所述第一表面和所述第二表面相对；
93.步骤s802、沿所述第一晶圆半径方向由内向外依次向所述第一晶圆的第三表面施加压力，使所述第一表面与所述第二表面键合；其中，所述第一晶圆的第三表面为背离所述第二晶圆的表面。
94.固定晶圆的器件包括但不限于吸盘、机械手臂、卡扣和承载台等，在将晶圆从键合设备外部移动至键合设备内部后，通过固定组件使晶圆在键合过程中保持不变动或不移动。
95.本技术实施例中涉及的晶圆可以是圆柱体结构，具有一侧面和上下两个表面，其中，上表面与下表面为同一个晶圆上互相背离的两个表面。具体地，第一晶圆的第一表面和第三表面互相背离，第二晶圆的第二表面和第四表面互相背离。在晶圆键合时，第一晶圆与第二晶圆相对键合，此时第一晶圆的第一表面与第二晶圆的第二表面为键合面，即上述第一表面与上述第二表面相对。
96.本技术实施例中，第一晶圆的第三表面为圆形，沿圆心向外延伸至圆周的任一方向为半径方向。进一步地，需要从内向外，即从圆心向圆周依次施加压力，这里，依次是指对
圆心区域施加完压力后，再沿半径方向，对远离圆心的表面施加压力。
97.本技术实施例涉及的压力是弹力的一种，需要接触第一晶圆的第三表面，并使第一晶圆产生形变，包括但不限于气体挤压、机械按压和液体挤压等。在施加压力时，需要沿第一晶圆半径方向由内向外依次进行。
98.在键合时，第一晶圆的第一表面作为键合面，而与第一表面相背的第三表面则用于接收压力，由于第一晶圆与第二晶圆是相对的，因此，上述第三表面也是背离所述第二晶圆的表面。
99.本技术实施例的晶圆键合方法在进行的键合过程中可以提供更大、更均匀的键合力，能有效地减少气泡的产生，从而提高产品的良率。
100.在一些实施例中，所述沿所述第一晶圆半径方向由内向外依次向所述第一晶圆的第三表面施加压力，使所述第一表面与所述第二表面键合，包括：
101.向所述第一晶圆的第三表面的圆心位置施加压力，使所述第一晶圆的圆心与所述第二晶圆的圆心相对的区域键合；
102.沿所述第一晶圆半径方向，从内向外依次向所述第一晶圆的的第三表面施加压力，使所述第一表面与所述第二表面键合。
103.在键合过程中，上述第一晶圆的第一表面与上述第二晶圆的第二表面进行键合，且第一表面与第二表面也都是圆形，因此，上述两个表面的圆心相对。示例性地，第一表面的圆心、第二表面的圆心和第三表面的圆心都位于同一直线上，首先对第一晶圆的第三表面的圆心位置施加压力，第一晶圆产生形变。当施加的压力达到足够大时，第一晶圆的第一表面的圆心可以与第二晶圆的第二表面的圆心区域键合。
104.进一步地，在两晶圆的圆心区域键合完成后，沿圆心向圆周的每个半径方向依次施加压力，以扩散的方式使得第一晶圆的第一表面的其他区域与第二晶圆的第二表面的对应区域键合。
105.本技术实施例，先键合圆心区域，在沿半径方向从内向外依次键合其他区域，这样可以有效减少气泡的产生，大大提高成品的良率。
106.在一些实施例中，所述沿所述第一晶圆半径方向由内向外依次向所述第一晶圆的第三表面施加压力，包括：
107.通过沿所述第一晶圆半径方向由内向外依次向所述第一晶圆的第三表面提供cda，向所述第三表面施加压力。
108.本技术实施例中提供压力的方式为气体挤压，即提供cda，使得cda流向第一晶圆第三表面上待被施压的区域，这里，cda直接接触该区域的表面，通过单位面积上压强的增大来产生键合时所需要的压力。
109.本技术实施例施加压力的方法简单，且不会对晶圆造成额外的机械损伤。
110.在一些实施例中，所述固定待键合的第一晶圆和第二晶圆，包括：
111.通过负压的方式，将所述第一晶圆固定在第一固定组件的固定面；
112.通过负压的方式，将所述第一晶圆固定在第二固定组件的固定面；其中，所述第二固定组件的固定面与所述第一固定组件的固定面相对。
113.在晶圆键合之前，需要先将晶圆固定，固定晶圆的方式包括但不限于吸附、夹持和承载等。本技术实施例中，采用负压的方式分别将第一晶圆和第二晶圆固定在第一固定组
件和第二固定组件的固定面，其中，负压是指在固定组件的固定面相背的一面造成低于常压的气体压力状态，使得固定组件的内外产生压强差，从而将晶圆固定在上述固定面上。
114.由于键合过程中，第一晶圆与第二晶圆相对键合，因此在固定第一晶圆和第二晶圆时，上述第一固定组件的固定面也与上述第一固定组件的固定面相对。
115.通过负压的方式可以降低键合时所需成本，且不会对晶圆产生额外的机械损伤。
116.本技术所提供的几个方法或设备实施例中所揭露的特征，在不冲突的情况下可以任意组合，得到新的方法实施例或设备实施例。
117.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。