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【行业应用】芯片键合设备中对准卡盘的平行度测量

发表时间:2021-12-22 09:44

随着晶圆键合技术的不断发展,使得应用该种技术的3D(即,Three-dimensional,简称3D)集成电路和微机械系统也不断的改进,其中,晶圆键合技术是将固定在上卡盘上的上部晶圆(即载体晶圆),与固定在下卡盘上的下部晶圆(即器件晶圆)紧密粘合在一起的技术。

图1


图2


如图1和图2所示,在两片晶圆进行键合的过程中,其中一个晶圆固定不动,另一个晶圆逐渐靠近该晶圆,当两晶圆之间距离50um时,晶圆键合设备用顶针Striker顶住固定在上卡盘上1上的上部晶圆3的中间位置,使得晶圆3的中间区域与固定在下卡盘2上的下部晶圆4的中间区域先接触,产生键合波,该键合波从中间向两边缘扩散将上下两晶圆结合起来。如果这时上下两个卡盘的相对平行度好,如图1所示,则键合波向两边缘扩散的速度一致,两晶圆的对准精度较高,从而使得上述两晶圆键合质量好;如果这时上下两个卡盘的相对平行度不好,如图2所示,则键合波向两边缘扩散的速度不一致,从而使的两晶圆的对准精度较差,甚至可能使两晶圆错开,出现滑片的问题。


因此,如何在晶圆键合过程中,使得两个卡盘之间具有良好的平行度,成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。


在晶圆键合的工艺流程中,晶圆与晶圆的键合工艺是核心重点,其中,晶圆对准精度又是衡量晶圆键合设备非常重要的核心参数。而影响晶圆对准精度的一个重要因素是上卡盘和下卡盘的对准度,即两个卡盘相对的平行度。


目前,传统的上卡盘和下卡盘的平行度检测方法主要是在EVG晶圆键合设备PM(即检修、保养维护的)的时候,对上下卡盘进行平行度校准,具体方法为:操作人员利用测量精度为1um的测量仪(即gauge)去测量三个不同位置处的上下卡盘之间的距离,再基于该测量结果去调节上卡盘和下卡盘之间的平行度。


由上可知,传统检测方法需要操作人员用标尺去测量三个位置处上下卡盘之间的距离,而在具体测量时,操作人员无法保证对每个测量位置的测量手法相同(如,是否完全垂直或是否紧贴着卡盘),从而使得每个测量位置处的测量误差不同,以致基于该测量结果调节第一卡盘和第二卡盘之间的平行度时,第一卡盘和第二卡盘之间的平行度较差。


而且,在具体测量时,上卡盘和下卡盘之间的距离由操作人员读取标尺的指示结果确定,在读取数据过程中不可避免的存在读数误差,从而进一步导致基于该测量结果调节第一卡盘和第二卡盘之间的距离时,第一卡盘和第二卡盘之间的平行度较差。


图3


鉴于此,本申请实施例提供了一种晶圆键合设备,如图3所示,该晶圆键合设备包括:

相对设置的第一卡盘101和第二卡盘102,所述第一卡盘101用于固定第一晶圆,所述第二卡盘102用于固定第二晶圆;

位于所述第一卡盘101上的至少三个检测元件103,所述检测元件103用于检测该检测元件103所在位置处所述第一卡盘101和所述第二卡盘102之间的距离,其中,所述至少三个检测元件103不全在同一直线上;

至少三个调节元件104,所述调节元件104与所述检测元件103一一对应,用于调节所述调节元件104所在位置处,所述第一卡盘101和所述第二卡盘102之间的距离,以调节所述第一卡盘101和所述第二卡盘102的平行度。


需要说明的是,在本申请一个实施例中,所述第一卡盘101固定第一晶圆,所述第二卡盘102固定第二晶圆的方式包括:通过对第一卡盘101施加电压,使得所述第一卡盘101吸附第一晶圆,将其固定,通过对第二卡盘102施加电压,使得所述第二卡盘102吸附第二晶圆,将其固定,以防止两晶圆在键合过程中发生位置偏移。


因此,本申请实施例所提供的晶圆键合设备,在第一卡盘101上设置至少多个检测元件103,以利用所述第一卡盘101上的所述多个检测元件103去检测各检测元件103所在位置处所述第一卡盘101和所述第二卡盘102之间的距离,所述晶圆键合设备还包括多个调节元件104,所述调节元件104与所述检测元件103一一对应,以利用所述多个调节元件104去调节所述第一卡盘101和所述第二卡盘102之间的距离,从而调节所述第一卡盘101和所述第二卡盘102的平行度。


需要说明的是,本申请实施例中,所述至少三个检测元件103不在同一直线上,因此,当所述至少三个检测元件103检测到的所述第一卡盘101和所述第二卡盘102之间的距离相等时,即可保证晶圆键合设备中上卡盘和下卡盘相互平行。


而且,相较于人工检测,本申请实施例所提供的晶圆键合设备,利用三个检测元件103检测第一卡盘101和第二卡盘102之间的距离,可以避免人为因素引起的误差,减小误差来源,提高测量精度,从而在基于第一卡盘101和第二卡盘102之间的距离调整第一卡盘101和第二卡盘102之间的平行度时,可以使得第一卡盘101和第二卡盘102之间具有良好的平行度,进而在利用该晶圆键合设备键合第一晶圆和第二晶圆时,能够提高第一晶圆和第二晶圆的对准精度,降低由于两晶圆对位精度较差而出现滑片的概率。


需要说明的是,所述检测元件103的检测精度不宜过小,也不宜过大,如果所述检测元件103的检测精度过小,则会使得所述晶圆键合设备检测所述第一卡盘101和所述第二卡盘102的平行度时的检测精度较低,不利于提高所述第一卡盘101和所述第二卡盘102的平行度,如果所述检测元件103的检测精度过大,则会使得所述晶圆键合设备的制作成本较高,因此,在上述任一实施例的基础上,在本申请的一个实施例中,所述检测元件103的检测精度的取值范围为0.1μm~1μm,包括端点值,以在兼顾所述晶圆键合设备的制作成本的同时,还可以保证所述晶圆键合设备检测所述第一卡盘和所述第二卡盘的平行度时的检测精度,进而利于提高所述第一卡盘101和所述第二卡盘102的平行度。需要说明的是,所述检测元件103的检测精度是指检测元件103能够测量的最小测量值。


在上述实施例的基础上,在本申请一个实施例中,所述检测元件103的重复精度不大于0.5um,以提高所述晶圆键合设备检测所述第一卡盘和所述第二卡盘的平行度时的检测精度,进而提高所述第一卡盘101和所述第二卡盘102的平行度,需要说明的是,所述检测元件103的重复精度是指所述检测元件103在重复测量所述第一卡盘101和所述第二卡盘102之间的距离时,同一测量位置处测量的最大值与测量的最小值之间的差值。


在上述任一实施例的基础上,在本申请的一个实施例中,所述检测元件103为光学元件,所述光学元件位于所述第一卡盘101上,通过向所述第二卡盘102发射光信号,并接收该光信号被所述第二卡盘102反射后形成的反射信号,然后基于其发射光信号和接收到的反射信号,确定该光学元件所在位置处第一卡盘101和第二卡盘102之间的距离。


由于激光测距已经大量应用于工业生产,现有的精密型激光位移传感器拥有高精度性,高重复性和高可靠性等优点,可广泛应用于现今工业生产线上,而且它的重复精度能达到0.5um,分辨率能达到0.1um,因此,在本申请的一个实施例中,所述检测元件103包括精密型激光位移传感器,以在能够自动化测距的基础上,保证测量结果的精度,从而保证晶圆的对准精度。


具体的,在本申请的一个实施例中,所述检测元件103为高精度微米激光测距仪,其量程可达几厘米,测量精度可达1um。本申请对此不作限定,在本申请其他实施例中,所述检测元件103还可以为其他类型的激光位置传感器,具体视情况而定。


所述控制元件用于基于所述检测元件103的检测结果,控制所述调节元件104,调节所述调节元件104所在位置处,所述第一卡盘101和所述第二卡盘102之间的距离,而无需操作人员在看到检测结果之后,再根据检测结果控制所述调节元件104调节所述第一卡盘101和所述第二卡盘102之间的距离,从而提高了自动化的程度,同时也避免了人为调节误差,进一步提高了检测精度。


原文说明:本文内容节选自网络公开专利(CN111446191A)。


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