晶圓鍵合設(shè)備對(duì)準(zhǔn)和傳送機(jī)構(gòu)研究綜述

吳尚賢，王成君，王廣來(lái)，楊道國(guó)

（1.桂林電子科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣西桂林 541004；2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二研究所，太原 030024）

0 引言

在摩爾定律以及市場(chǎng)大環(huán)境的推動(dòng)下，集成電路（IC）和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）已經(jīng)得到了快速發(fā)展。在后摩爾時(shí)代，集成電路逐漸從傳統(tǒng)的2D 集成電路向3D 集成電路過(guò)渡[1]。相較于2D 集成電路，3D 集成電路的密度更高且功耗更低，同時(shí)帶寬也更大[2]。3D 集成電路就是將芯片或晶圓在垂直于芯片或晶圓的平面上進(jìn)行堆疊[3]，因此3D 集成電路與2D 集成電路的最大區(qū)別就是3D 集成電路可以大幅提高元器件集成度和單位體積的功耗密度[4]。目前，采用全新架構(gòu)的3D 集成技術(shù)推動(dòng)了半導(dǎo)體行業(yè)的發(fā)展，而不同類型器件（如傳感器、存儲(chǔ)器、處理器以及邏輯器件等）的復(fù)雜集成都離不開3D 集成這一核心技術(shù)[5]。目前，3D 集成技術(shù)仍存在鍵合完整性、晶圓級(jí)對(duì)準(zhǔn)精度、層間互連以及晶圓減薄與均勻性控制的問(wèn)題尚待解決[6]。

MEMS 是通過(guò)氧化、光刻、擴(kuò)散和外延等半導(dǎo)體工藝，將傳感、執(zhí)行、信號(hào)處理和電路控制等功能集成在微小型系統(tǒng)或器件中，主要包括傳感器和執(zhí)行器兩大類產(chǎn)品[7]。MEMS 器件通常都具有可動(dòng)結(jié)構(gòu)，在后道工序組裝以及實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，經(jīng)常受到外力沖擊以及環(huán)境氣氛、顆粒和濕度等外部因素的影響[8-9]，因此需要對(duì)MEMS 器件進(jìn)行封裝處理，以保證其中的可動(dòng)結(jié)構(gòu)與外界環(huán)境完全隔離。多數(shù)MEMS 傳感器（如加速度計(jì)、壓力傳感器、陀螺儀、磁力計(jì)、射頻開關(guān)和濾波器等）通常是以諧振器為基礎(chǔ)，需要進(jìn)行氣密或真空封裝以保證MEMS 器件的性能和穩(wěn)定性。MEMS 封裝成本占MEMS 器件生產(chǎn)總成本的90%以上，因此MEMS 封裝對(duì)于MEMS 傳感器與執(zhí)行器的性能優(yōu)化和實(shí)用化都至關(guān)重要[9-10]。

隨著MEMS 晶圓級(jí)封裝鍵合技術(shù)與集成電路制造技術(shù)的逐漸融合，晶圓級(jí)封裝鍵合技術(shù)已經(jīng)逐漸成為實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器、射頻器件和邏輯器件等部件的3D 堆疊（同質(zhì)/異質(zhì)集成）以及提升器件性能、降低系統(tǒng)功耗和制造成本的重要解決方法。為了滿足集成電路高密度與高性能的發(fā)展需要，突破國(guó)內(nèi)研發(fā)能力不足的瓶頸，實(shí)現(xiàn)2D 集成電路向3D 集成電路的方向發(fā)展，國(guó)內(nèi)眾多企業(yè)、高校以及研究所已經(jīng)開展對(duì)晶圓級(jí)封裝鍵合技術(shù)的研究[11]。本文就晶圓鍵合工藝與設(shè)備、晶圓鍵合對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)和傳送機(jī)構(gòu)以及國(guó)內(nèi)外主要晶圓鍵合設(shè)備廠商3 個(gè)方面進(jìn)行綜述。

1 晶圓鍵合工藝與晶圓鍵合設(shè)備

在進(jìn)行晶圓鍵合時(shí)，晶圓鍵合設(shè)備能夠使2 片潔凈且光滑（表面粗糙度小于0.5 nm）的同質(zhì)/異質(zhì)晶圓通過(guò)物理或化學(xué)方法緊密地連接，并達(dá)到一定的連接強(qiáng)度，同時(shí)還能夠滿足電子元件間互連、集成以及封裝的功能。目前，晶圓鍵合設(shè)備已經(jīng)廣泛應(yīng)用于光電器件、電力電子器件、射頻器件、MEMS 器件以及3D集成電路等領(lǐng)域的先進(jìn)封裝制造[12]。在晶圓鍵合過(guò)程中，晶圓的對(duì)準(zhǔn)精度以及鍵合溫度與壓力的控制對(duì)晶圓鍵合效果具有十分重要的影響，因此合理控制晶圓鍵合參數(shù)是目前晶圓鍵合設(shè)備優(yōu)化的重點(diǎn)。

在晶圓鍵合工藝中，首先需將晶圓進(jìn)行表面預(yù)處理、清洗以及對(duì)準(zhǔn)，然后根據(jù)不同需求采用不同方法對(duì)晶圓進(jìn)行鍵合，最后對(duì)鍵合好的晶圓進(jìn)行分析處理。其具體操作步驟為：①對(duì)蓋板與電路板進(jìn)行預(yù)處理；②在真空環(huán)境下或氣密環(huán)境下對(duì)蓋板吸氣劑進(jìn)行激活；③在真空環(huán)境下或氣密環(huán)境下對(duì)蓋板與電路片進(jìn)行鍵合；④將鍵合好的蓋板進(jìn)行切割；⑤完成終切。根據(jù)鍵合的方式可將晶圓鍵合分為永久鍵合和臨時(shí)鍵合。2 片晶圓鍵合時(shí)，界面之間的原子在外力作用下反應(yīng)形成化學(xué)共價(jià)鍵并使鍵合界面達(dá)到一定的鍵合強(qiáng)度，即永久鍵合。電子器件之間的封裝鍵合必須是永久的，并且還需要提供牢固的熱、電和機(jī)械連接，因此封裝業(yè)界通常采用永久鍵合。而臨時(shí)鍵合就是在臨時(shí)載板或功能晶圓上通過(guò)壓合、黏貼或旋涂等方法制造1層中間層材料作為鍵合黏合劑，再將功能晶圓與臨時(shí)載板對(duì)準(zhǔn)后完成鍵合。臨時(shí)鍵合主要是為超薄晶圓提供足夠的機(jī)械支撐和保護(hù)，完成臨時(shí)鍵合后再對(duì)功能晶圓進(jìn)行減薄，能夠使晶圓順利完成后續(xù)的工藝流程。

典型的晶圓鍵合設(shè)備包括等離子體模塊、清洗模塊、對(duì)準(zhǔn)模塊、鍵合模塊和冷卻模塊5 個(gè)組成部分，如圖1 所示。鍵合設(shè)備的前端接口通常是由產(chǎn)線晶圓尺寸所決定的，而目前大多數(shù)鍵合設(shè)備都是針對(duì)200 mm的晶圓進(jìn)行設(shè)計(jì)的，其具有4 個(gè)載片盒承載臺(tái)，并配備了機(jī)械臂傳動(dòng)裝置，設(shè)備內(nèi)部還可以通過(guò)超高效空氣過(guò)濾器（ULPA）對(duì)內(nèi)部環(huán)境進(jìn)行凈化。隨著300 mm 晶圓工藝逐漸走向成熟，半導(dǎo)體設(shè)備廠商也開始采用統(tǒng)一的前開腔體（FOUP），并配備了前端自動(dòng)化模塊（EFAMs）。FOUP 與EFAMs 的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了晶圓、工藝模塊與物料傳輸單元、機(jī)械臂3 個(gè)部分的隔離，使系統(tǒng)的凈化程度達(dá)到了更高的水平[13]。

圖1 典型晶圓鍵合設(shè)備[13]

2 晶圓鍵合對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)與傳送機(jī)構(gòu)

在進(jìn)行晶圓鍵合的過(guò)程中，晶圓鍵合設(shè)備中的對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)和傳送機(jī)構(gòu)是其中最為重要的2 個(gè)部分。晶圓鍵合對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)是通過(guò)晶圓表面的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記將上下2 片晶圓進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，而晶圓鍵合傳送機(jī)構(gòu)是用來(lái)夾持對(duì)準(zhǔn)后的堆疊晶圓并將其傳送至鍵合腔體中，因此對(duì)晶圓鍵合對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)和傳送機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化是目前晶圓鍵合設(shè)備的發(fā)展趨勢(shì)。

2.1 晶圓鍵合對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)

在進(jìn)行晶圓鍵合時(shí)，不同種類鍵合方法的要求不同，晶圓對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)也略有差異，常用的晶圓對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)如圖2 所示。為了滿足晶圓之間對(duì)準(zhǔn)工藝的要求，將第一片晶圓面朝下放入到晶圓對(duì)準(zhǔn)卡盤上并將其傳送到晶圓對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)中，晶圓沿著Z 軸向上移動(dòng)，直到被頂部的夾具吸附固定。該固定晶圓將作為后續(xù)對(duì)準(zhǔn)工藝的基準(zhǔn)，即后續(xù)晶圓對(duì)準(zhǔn)的起點(diǎn)。

圖2 常用的晶圓對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)[13]

在標(biāo)準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)工藝中，如果2 個(gè)標(biāo)記之間的距離較小，就會(huì)對(duì)晶圓對(duì)準(zhǔn)時(shí)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)誤差、移位誤差以及X 軸和Y 軸方向的位置誤差更為敏感，因此可以適當(dāng)增加2 個(gè)標(biāo)記之間的距離以提高晶圓的對(duì)準(zhǔn)精度。如果步進(jìn)光刻機(jī)的步進(jìn)距離設(shè)置不合理，則會(huì)在水平方向上產(chǎn)生最高0.1 μm 的偏移，那么晶圓就會(huì)產(chǎn)生位移誤差，因此要合理設(shè)置步進(jìn)光刻機(jī)的步進(jìn)距離。此外，在對(duì)準(zhǔn)的過(guò)程中，還有一些值得關(guān)注的問(wèn)題。首先，在通過(guò)顯微鏡尋找第一片晶圓上的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的過(guò)程中，顯微鏡不能超過(guò)傳送夾具兩側(cè)的邊界，且傳送卡盤上開口的尺寸和位置也需要根據(jù)晶圓對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記進(jìn)行人為調(diào)整。其次，在第二片晶圓放入到載片機(jī)的過(guò)程中，插入對(duì)準(zhǔn)夾具時(shí)需要避免刮傷襯底表面，同時(shí)還要使對(duì)準(zhǔn)臺(tái)沿X 軸和Y 軸方向移動(dòng)或進(jìn)行θ 角度旋轉(zhuǎn)，以便于將2 片晶圓上的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記精確地對(duì)準(zhǔn)和套刻。最后，2 片晶圓完成對(duì)準(zhǔn)后，在通過(guò)墊片和卡箍放置的過(guò)程中，墊片和卡箍要處于晶圓的隔離區(qū)域，并適當(dāng)調(diào)整夾具以確?？ü繉? 片晶圓固定。同時(shí)，還要適當(dāng)調(diào)整對(duì)準(zhǔn)設(shè)備以確保對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中的精度，這樣才能保證對(duì)準(zhǔn)臺(tái)能夠平穩(wěn)流暢地運(yùn)行。此外，對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中還需要進(jìn)行楔形誤差補(bǔ)償（WEC），以保證2 片晶圓能夠完全地平行。

通常這些用于對(duì)準(zhǔn)的校準(zhǔn)晶圓表面都有對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記和對(duì)準(zhǔn)游標(biāo)，可以重復(fù)使用，僅需通過(guò)顯微鏡進(jìn)行觀察便可完成套刻精度的檢測(cè)。若出現(xiàn)系統(tǒng)偏差，則需要通過(guò)設(shè)置偏移的方法對(duì)對(duì)準(zhǔn)精度進(jìn)行補(bǔ)償，這一方法通常用于有位移誤差的晶圓中。

目前，許多學(xué)者對(duì)晶圓鍵合對(duì)準(zhǔn)設(shè)備展開了研究。武春暉等[14]在高真空環(huán)境下對(duì)晶圓對(duì)準(zhǔn)視覺(jué)成像及數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行了研究，將鏡頭固定在ZBS-500 真空設(shè)備中（如圖3 所示），當(dāng)真空度分別為4.1×10-3Pa 和1.5×10-3Pa 時(shí)，相機(jī)的連續(xù)工作時(shí)間分別為95 min 和12 h，真空度越高，相機(jī)的連續(xù)工作時(shí)間越短。而當(dāng)真空度為4.3×10-3Pa 時(shí)，相機(jī)進(jìn)行間歇式工作（相機(jī)每隔10 min 運(yùn)行5 min），累計(jì)工作時(shí)間可達(dá)140 min，相機(jī)表面最高溫度僅為23 ℃。因此在進(jìn)行晶圓鍵合對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中，可采用間歇式的工作方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的連續(xù)式工作方式，有效控制相機(jī)的溫度，避免相機(jī)由于溫度升高導(dǎo)致的工作異常，從而提高相機(jī)在對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中的可靠性。當(dāng)真空度為2.5×10-1Pa、波長(zhǎng)為960～990 nm時(shí)，能夠獲得清晰標(biāo)識(shí)的圖像，且數(shù)據(jù)傳輸沒(méi)有問(wèn)題（采用USB 2.0 接口）。然而，在晶圓鍵合對(duì)準(zhǔn)的過(guò)程中，相機(jī)的間歇性工作雖然可以有效控制相機(jī)的溫度，但將導(dǎo)致相機(jī)的工作效率降低。未來(lái)可以考慮增加相機(jī)的數(shù)量或在相機(jī)外殼處添加散熱裝置，在有效控制相機(jī)溫度的同時(shí)提高相機(jī)的工作效率。

FAN 等[15]采用了基于莫爾條紋的光柵標(biāo)記和數(shù)字光柵，顯著提高了對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中上下2 片晶圓的偏差對(duì)準(zhǔn)精度，該晶圓鍵合對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)如圖4 所示，該設(shè)備能夠?qū)⒐烙?jì)誤差控制在10 nm 以內(nèi)，同時(shí)還能夠滿足高精度鍵合的全部要求，其計(jì)算效果和速率優(yōu)于市面上大多數(shù)圖像處理軟件，因此該晶圓對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)更加有利于晶圓鍵合后續(xù)工藝的進(jìn)行。此外，所設(shè)計(jì)的光柵標(biāo)記由于足夠小，可為后續(xù)在晶圓上刻蝕電路的工序留下更多的空間。同時(shí)，該晶圓標(biāo)記還可以通過(guò)多種方法不斷地優(yōu)化摩爾信號(hào)，從而通過(guò)調(diào)整疊加的數(shù)字光柵來(lái)獲得最佳的結(jié)果，且能同時(shí)計(jì)算3 個(gè)自由度的結(jié)果。該工藝還減少了鍵合工序，不僅降低了成本，還大大提高了整體容錯(cuò)率和后續(xù)鍵合的可靠性。然而，基于莫爾條紋的光柵標(biāo)記和數(shù)字光柵的方法需要合理控制上下2 片晶圓之間的距離，此外其產(chǎn)生的衍射效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致圖像的效果較差，這些都需要在未來(lái)的研究中繼續(xù)改進(jìn)。

文獻(xiàn)[16]于2022 年提出了1 種晶圓鍵合對(duì)準(zhǔn)裝置，如圖5 所示?，F(xiàn)有的鍵合對(duì)準(zhǔn)裝置均采用圖像識(shí)別方式，需要在晶圓和載片上印制對(duì)位標(biāo)記，對(duì)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)和操作步驟都比較復(fù)雜，還存在設(shè)備成本高和工作效率低的問(wèn)題。而該晶圓鍵合對(duì)準(zhǔn)設(shè)備操作簡(jiǎn)單，通過(guò)控制旋柄使從動(dòng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)，并將4 根滑柱向外頂推，使4 個(gè)托柱向外移動(dòng)一定距離；然后將待鍵合載片放置在托件臺(tái)階上，控制4 個(gè)分離墊片向內(nèi)滑動(dòng)一定距離，再將待鍵合晶圓放置在4 個(gè)分隔墊片上；然后通過(guò)控制旋柄將4 根滑柱錯(cuò)開，并使其在回位彈簧的拉動(dòng)下向內(nèi)回位，即可完成載片和晶圓的對(duì)準(zhǔn)。該晶圓鍵合設(shè)備僅通過(guò)從動(dòng)凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)、回位彈簧的回位以及隔離墊片的滑動(dòng)，就能完成載片和晶圓的對(duì)準(zhǔn)，具有設(shè)備成本低和工作效率高的優(yōu)點(diǎn)。然而該晶圓鍵合對(duì)準(zhǔn)裝置的精度相對(duì)于光學(xué)對(duì)準(zhǔn)而言還是比較低的，因此在精度較高的晶圓鍵合過(guò)程中，仍需采用光學(xué)對(duì)準(zhǔn)。此外在光學(xué)對(duì)準(zhǔn)的過(guò)程中，對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的成像效果容易受到噪聲、光照、視覺(jué)傳感器以及光學(xué)鏡頭等因素的影響，導(dǎo)致對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的成像效果受到制約，因此未來(lái)需要對(duì)晶圓對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的識(shí)別算法展開全方位研究[17-20]。

圖5 晶圓鍵合對(duì)準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)[16]

通過(guò)對(duì)以上3 種不同的晶圓對(duì)準(zhǔn)設(shè)備進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在晶圓鍵合對(duì)準(zhǔn)的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)相機(jī)溫度過(guò)高、圖像質(zhì)量較差和對(duì)準(zhǔn)精度較低的問(wèn)題，可以考慮使用散熱裝置對(duì)相機(jī)進(jìn)行散熱、改善衍射效應(yīng)導(dǎo)致的圖像質(zhì)量下降以及提高機(jī)械傳動(dòng)精度等途徑加以解決。

2.2 晶圓鍵合傳送機(jī)構(gòu)

在晶圓鍵合的過(guò)程中，通常先通過(guò)對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)將2片晶圓對(duì)準(zhǔn)，然后再使用傳送夾具將對(duì)準(zhǔn)完成的晶圓傳送到鍵合腔中，其在晶圓傳送的過(guò)程中能夠起到固定上下2 片晶圓的作用，故傳送夾具對(duì)于晶圓的對(duì)準(zhǔn)精度有很大影響。常用的晶圓傳送夾具如圖6 所示。通常情況下，夾具通過(guò)3 個(gè)方向來(lái)固定晶圓，這不僅是因?yàn)? 點(diǎn)可以確定1 個(gè)平面，而且還可以避免晶圓在夾持的過(guò)程中出現(xiàn)彎曲變形。在晶圓固定的過(guò)程中，需要保持夾具和晶圓在垂直方向上的對(duì)準(zhǔn)，避免剪切應(yīng)力造成的晶圓偏移。

圖6 常用的晶圓傳送夾具[13]

晶圓傳送夾具需通過(guò)對(duì)夾具的夾持力度、高度以及運(yùn)動(dòng)方式的調(diào)整，讓2 片晶圓完全地固定在一起。在夾持固定晶圓的過(guò)程中，不僅夾持點(diǎn)的夾持和釋放要保持同步，而且隔離墊片的釋放也要保持平穩(wěn)和同步，因此需定期對(duì)傳送夾具的性能進(jìn)行測(cè)試。此外，2片晶圓之間還需要插入分離夾具或隔離墊片。此時(shí)上下2 片晶圓保留了一定的間隙，這不僅可以作為某些氣體的排出通道，還可以在升溫時(shí)為去除鍵合面的氧化層提供便利。晶圓傳送夾具上最重要的2 個(gè)部件是卡箍和隔離墊片，隔離墊片不僅要保證其線性的運(yùn)動(dòng)軌跡，還要保證其在移動(dòng)的過(guò)程中不能劃傷晶圓的表面，因此對(duì)于對(duì)準(zhǔn)精度的影響十分巨大。在傳統(tǒng)晶圓鍵合夾具釋放固定晶圓的過(guò)程中，通常利用鍵合機(jī)中間的頂針對(duì)上層晶圓中心施加壓力，同時(shí)還能起到固定上下2 片晶圓的作用。但該頂針僅能在2 片晶圓的中心點(diǎn)起到固定作用，因此將隔離墊片撤回時(shí)，2 片晶圓的位置會(huì)發(fā)生移動(dòng)和偏轉(zhuǎn)，從而對(duì)對(duì)準(zhǔn)精度產(chǎn)生一定影響。由于傳統(tǒng)晶圓鍵合夾具存在諸多問(wèn)題，目前常用的是3 點(diǎn)固定式夾具，該夾具可以通過(guò)調(diào)整卡箍和隔離墊片的運(yùn)動(dòng)過(guò)程實(shí)現(xiàn)卡箍和隔離墊片的分步移除。

許多學(xué)者對(duì)晶圓鍵合卡盤展開了研究。在晶圓吸附的過(guò)程中，存在晶圓鍵合位置不準(zhǔn)的問(wèn)題，為了解決這一問(wèn)題，文獻(xiàn)[21]提出了1 種晶圓鍵合卡盤裝置，如圖7 所示。該鍵合卡盤位于鍵合腔中，可分為吸附區(qū)域和吸附區(qū)域外圍的感應(yīng)區(qū)域，位于吸附區(qū)的裝載頂針可以調(diào)整待鍵合晶圓的位置，使其位于吸附區(qū)域的中心，而面向外圍感應(yīng)區(qū)域的多個(gè)感應(yīng)器可以通過(guò)接收的反射信號(hào)來(lái)確定待鍵合晶圓的位置，幫助裝載頂針對(duì)待鍵合晶圓的位置進(jìn)行調(diào)整，有助于提高后續(xù)晶圓對(duì)準(zhǔn)的效率，最終提高晶圓的鍵合效果。頂針的位置和數(shù)量需要根據(jù)實(shí)際情況確定，要保證待鍵合晶圓能夠在一定范圍內(nèi)旋轉(zhuǎn)和平移，以提高晶圓鍵合的對(duì)準(zhǔn)精度，還要根據(jù)傳感器的大小合理控制吸附區(qū)域外圍的面積，以減小晶圓鍵合卡盤的占用空間。

圖7 鍵合卡盤裝置結(jié)構(gòu)[21]

在晶圓真空吸附的過(guò)程中，由于晶圓表面可能存在不平整的情況，因此在轉(zhuǎn)移晶圓的過(guò)程中，空氣會(huì)通過(guò)邊緣進(jìn)入真空載具導(dǎo)致晶圓無(wú)法被可靠地吸附。為了解決這一問(wèn)題，文獻(xiàn)[22]提出了1 種晶圓真空吸附系統(tǒng)，如圖8 所示。該晶圓真空載具在工作的過(guò)程中，通過(guò)真空吸盤主體上的吸附體抽氣孔抽真空，同時(shí)吸附晶圓的翹曲部位并帶動(dòng)翹曲部位朝其反方向移動(dòng)，再通過(guò)吸附體對(duì)晶圓施加外力，使發(fā)生翹曲的晶圓變得平整，從而使晶圓能夠更好地貼合真空吸盤主體。因此當(dāng)真空吸盤主體抽真空時(shí)，能夠?qū)⒕A吸附得更牢固，從而提升晶圓轉(zhuǎn)移安全性。然而，由于晶圓翹曲出現(xiàn)的位置不完全相同，設(shè)置晶圓吸附體的位置需要根據(jù)晶圓翹曲的位置進(jìn)行調(diào)整，這樣才能保證晶圓被完全吸附。同時(shí)，還要提高吸附體的吸附效果，以保證晶圓完全平整。

圖8 晶圓真空吸附系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[22]

目前常用的晶圓鍵合裝置僅能將1 對(duì)晶圓進(jìn)行鍵合，當(dāng)進(jìn)行多對(duì)晶圓鍵合時(shí)，存在鍵合時(shí)間長(zhǎng)和工作效率低等缺點(diǎn)，為了能夠快速進(jìn)行多對(duì)晶圓的鍵合，文獻(xiàn)[23]提出了1 種堆疊式多對(duì)晶圓鍵合裝置，如圖9所示。在使用該晶圓鍵合裝置的過(guò)程中，先將最下方的卡盤反面朝上放入對(duì)準(zhǔn)機(jī)臺(tái)中，將第一片晶圓與卡盤對(duì)準(zhǔn)結(jié)合，并將第二片晶圓與第一片晶圓對(duì)準(zhǔn)結(jié)合，通過(guò)間隔片和卡鎖將對(duì)準(zhǔn)后的2 片晶圓進(jìn)行固定，取出卡盤并正面朝上放在底部控溫承重組件上，并按上述方法依次將后面的晶圓對(duì)固定在卡盤上，然后將相鄰2 個(gè)卡盤之間接入彈簧，便可繼續(xù)完成后續(xù)鍵合工藝。該裝置能夠減小晶圓級(jí)鍵合的成本，極大程度提高多對(duì)晶圓的鍵合效率。然而，該設(shè)備由于同時(shí)對(duì)多對(duì)晶圓進(jìn)行鍵合，相較于單對(duì)晶圓鍵合設(shè)備要占據(jù)更多的空間，因此很難配備精度相對(duì)較高的光學(xué)對(duì)準(zhǔn)模塊。未來(lái)可以在該堆疊式晶圓鍵合裝置內(nèi)部配備占用空間較小的微型光學(xué)對(duì)準(zhǔn)模塊，在保證對(duì)準(zhǔn)精度的前提下對(duì)多對(duì)晶圓同時(shí)進(jìn)行鍵合。

圖9 堆疊式多對(duì)晶圓鍵合裝置結(jié)構(gòu)示意圖[23]

在進(jìn)行晶圓吸附的過(guò)程中，存在晶圓位置不能單獨(dú)控制的問(wèn)題，為了解決這一問(wèn)題，文獻(xiàn)[24]提出了1種改進(jìn)鍵合卡盤的鍵合設(shè)備，如圖10 所示。該鍵合卡盤能夠提高晶圓對(duì)準(zhǔn)精度。該卡盤包括盤體和控制裝置，盤體內(nèi)設(shè)有真空吸附區(qū)并沿至少2 個(gè)方向排布；控制裝置與真空吸附區(qū)關(guān)聯(lián)，用于控制不同徑向的真空吸附區(qū)彼此獨(dú)立運(yùn)行。該卡盤包括3 種晶圓位置的控制方式，一是真空吸附區(qū)至盤體中心O 的距離相等；二是在控制方式一的基礎(chǔ)上將4 個(gè)真空吸附區(qū)旋轉(zhuǎn)45°，即第一徑向?yàn)?5°和225°的方向，第二徑向?yàn)?35°和315°的方向；三是在控制方式一的基礎(chǔ)上，2 個(gè)徑向由垂直改為呈1 個(gè)銳角。通過(guò)上述3 種方式就能滿足不同類型晶圓的需求。該鍵合卡盤的優(yōu)點(diǎn)在于能夠控制不同徑向的真空吸附區(qū)彼此獨(dú)立運(yùn)行且互不影響，從而可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同徑向上晶圓所在位置的單獨(dú)控制和精確調(diào)整，提高晶圓對(duì)準(zhǔn)精度，最終提高晶圓鍵合的可靠性。此外，將該鍵合卡盤設(shè)計(jì)成圓形還可以減少空間的占用。

圖10 1 種改進(jìn)卡盤的鍵合設(shè)備結(jié)構(gòu)[24]

在進(jìn)行晶圓鍵合時(shí)，存在補(bǔ)償效果不佳和對(duì)準(zhǔn)精度不高的問(wèn)題，為了解決這些問(wèn)題，文獻(xiàn)[25]提出了1種新型晶圓鍵合設(shè)備，如圖11 所示。該晶圓鍵合設(shè)備包括第一卡盤、第二卡盤、K 個(gè)真空管路、控制器以及鍵合執(zhí)行單元，且第一卡盤或第二卡盤表面具有沿卡盤表面所在圓周向分布的N 個(gè)吸附區(qū)域，每個(gè)吸附區(qū)域至少與1 個(gè)真空管路連接。而控制器與K 個(gè)真空管路連接，通過(guò)真空管路從吸附區(qū)域分別控制第一卡盤和第二卡盤對(duì)第一鍵合晶圓對(duì)中對(duì)應(yīng)晶圓的吸附時(shí)長(zhǎng)和吸附力大小，實(shí)現(xiàn)待鍵合晶圓對(duì)的多個(gè)不同方向的縮放補(bǔ)償，其能夠較好地滿足不對(duì)稱鍵合對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記的形變糾正需求，能大大提高補(bǔ)償效果，并提高對(duì)準(zhǔn)時(shí)的對(duì)準(zhǔn)精度，從而提高晶圓鍵合的可靠性。然而，其中的K 個(gè)真空管路和N 個(gè)吸附區(qū)域需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行確定，同時(shí)還要保證真空管路域控制器連接的可靠性。

圖11 晶圓鍵合設(shè)備結(jié)構(gòu)[25]

上述文獻(xiàn)對(duì)晶圓鍵合位置對(duì)準(zhǔn)、晶圓吸附、多對(duì)晶圓鍵合、晶圓位置控制和對(duì)準(zhǔn)精度等問(wèn)題進(jìn)行了改善。由于對(duì)準(zhǔn)規(guī)范要求的日益嚴(yán)苛以及夾具在對(duì)準(zhǔn)過(guò)程中起到的重要作用，目前傳送夾具都是按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行制造、設(shè)置和測(cè)試的，在測(cè)試過(guò)程中不僅要保證卡箍和隔離墊片的精度，還要保證夾具表面的平整和光潔。

由于夾具和晶圓的熱膨脹系數(shù)不匹配，晶圓鍵合過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)熱膨脹的問(wèn)題，因此通常采用與硅的熱膨脹系數(shù)相匹配的材料來(lái)制作夾具。當(dāng)晶圓和熱膨脹系數(shù)與其相匹配的夾具表面直接接觸時(shí)，由晶圓與夾具引發(fā)的熱膨脹變形而產(chǎn)生的剪切應(yīng)力對(duì)鍵合的影響會(huì)小很多。未來(lái)晶圓鍵合也可以采用靜電吸附技術(shù)，使用靜電吸盤來(lái)代替現(xiàn)有的鍵合夾具（卡箍和隔離墊片），但是由于鍵合過(guò)程中存在熱膨脹的問(wèn)題，靜電吸盤的吸附面也要采用與硅的熱膨脹系數(shù)相近的絕緣層介質(zhì)。

3 主流晶圓鍵合設(shè)備廠商的相關(guān)設(shè)備

國(guó)際晶圓鍵合市場(chǎng)已經(jīng)較為成熟，其中奧地利、德國(guó)和英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家有豐富的晶圓鍵合設(shè)備產(chǎn)線，而我國(guó)市場(chǎng)還處于發(fā)展階段，隨著中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)的快速發(fā)展，未來(lái)我國(guó)將成為晶圓鍵合設(shè)備消費(fèi)的主力。目前國(guó)際主流的晶圓鍵合設(shè)備廠商有奧地利EVG公司、德國(guó)SUSS MicroTec 公司、英國(guó)AML 公司以及日本的Ayumi Industry 公司，而國(guó)內(nèi)主流廠商僅上海微電子裝備（集團(tuán)）股份有限公司（SMEE）1 家。

奧地利EVG 公司的主流設(shè)備適用于金屬鍵合[26]（瞬態(tài)液相鍵合、共晶鍵合和熱壓鍵合）、玻璃熔融鍵合、陽(yáng)極鍵合、膠鍵合和臨時(shí)膠鍵合等，可以提供半自動(dòng)晶圓鍵合系統(tǒng)（如EVG501、EVG510 和EVG520 IS）以及全自動(dòng)鍵合系統(tǒng)（如EVG540、EVG560、EVG GEMINI 和 EVG ComBond）。其最新的 EVG ComBond 晶圓鍵合系統(tǒng)采用了最先進(jìn)的晶圓活化技術(shù)和高真空處理技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)晶圓之間幾乎任何形式的鍵合。德國(guó)SUSS MicroTec 公司同樣可以提供自動(dòng)晶圓鍵合機(jī)（XBS200 和XBS300）以及半自動(dòng)晶圓鍵合機(jī)（SB6/8 Gen2 和XB8）。其半自動(dòng)鍵合機(jī)的鍵合力最高可達(dá)100 kN，鍵合溫度最高可達(dá)550 ℃，可以滿足絕大多數(shù)鍵合工藝的要求。英國(guó)AML 公司作為英國(guó)最大的晶圓鍵合設(shè)備制造商，其AWB04&08 平臺(tái)可用于2～8 英寸晶圓的鍵合，其電壓最高可達(dá)2.5 kV，鍵合溫度最高可達(dá)560 ℃，鍵合力最高可達(dá)40 kN，原位對(duì)準(zhǔn)精度可達(dá)1 μm，可適用于陽(yáng)極鍵合、共晶鍵合和直接鍵合等多種鍵合工藝。日本Ayumi Industry 公司的鍵合設(shè)備分為熱鍵合設(shè)備、表面活化鍵合設(shè)備、陽(yáng)極鍵合設(shè)備、晶圓鍵合設(shè)備以及還原鍵合設(shè)備。SMEE 晶圓鍵合設(shè)備主要分為SWA 系列和SWB 系列，其中SWA 系列能夠滿足各類基底的鍵合對(duì)準(zhǔn)需求，其采用了面對(duì)面的對(duì)準(zhǔn)方式，對(duì)準(zhǔn)精度<±2 μm；而SWB 系列最大可鍵合300 mm 的晶圓，其最大接觸壓力為60 kN，最高鍵合溫度為550 ℃，可用于有機(jī)膠鍵合、玻璃漿料鍵合、共晶鍵合和陽(yáng)極鍵合等工藝。

EVG 公司的晶圓鍵合設(shè)備采用了光學(xué)對(duì)準(zhǔn)和機(jī)械對(duì)準(zhǔn)技術(shù)，其中光學(xué)對(duì)準(zhǔn)可分為面對(duì)面對(duì)準(zhǔn)和背面對(duì)準(zhǔn)，面對(duì)面對(duì)準(zhǔn)包括透明對(duì)準(zhǔn)、紅外對(duì)準(zhǔn)以及SmartView 對(duì)準(zhǔn)，機(jī)械對(duì)準(zhǔn)可分為不同基板尺寸的對(duì)準(zhǔn)和相同基板尺寸的對(duì)準(zhǔn)。

在晶圓對(duì)準(zhǔn)的過(guò)程中，SUSS MicroTec公司的SUSS XB8 晶圓鍵合機(jī)的中心銷不受夾具打開和閉合的影響，不僅能夠在受控的氣氛中進(jìn)行熔融鍵合，而且能夠在抽氣和墊片移除時(shí)保持晶圓位置的對(duì)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)最佳的鍵合效果。此外，為了確保均勻的鍵合效果，可以預(yù)先加載一個(gè)鍵合力。而SUSS SB6/8 Gen2 晶圓鍵合機(jī)在有無(wú)中心銷的情況下均能鍵合，在無(wú)中心銷鍵合的過(guò)程中仍能提供理想的鍵合溫度并保證鍵合力的均勻性，以達(dá)到良好的鍵合對(duì)準(zhǔn)效果。而在有中心銷鍵合的過(guò)程中，中心銷與晶圓中心點(diǎn)進(jìn)行接觸，能夠保證鍵合結(jié)構(gòu)熱膨脹后的良好對(duì)準(zhǔn)。在晶圓傳送的過(guò)程中，其打開夾具、閉合夾具以及多鍵合夾具的結(jié)構(gòu)基本相同。打開夾具因其具有最小接觸面積且能支撐芯片的輸送環(huán)，能夠最大程度地提高晶圓和工具板之間的接觸，以實(shí)現(xiàn)最佳的溫度均勻性，同時(shí)其較低的熱容量也保證了從鍵合腔卸載夾具后的最小冷卻時(shí)間。此外，其最佳的加熱和冷卻速率也是高產(chǎn)量設(shè)備的最佳選擇。閉合夾具具有集成SiC 工具的運(yùn)輸環(huán)，能夠使晶圓得到充分的支撐和保護(hù)，所以也是處理不規(guī)則形狀襯底以及易碎和敏感材料（如鉭酸鋰）的理想選擇。而多鍵合夾具與特殊加載和機(jī)械對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)共同使用，能夠支持多晶圓鍵合以及多種晶圓尺寸鍵合，可以在同一鍵合周期內(nèi)鍵合多個(gè)晶圓，最大限度地提高整個(gè)系統(tǒng)的效率。

4 總結(jié)與展望

本文對(duì)晶圓鍵合工藝、晶圓鍵合設(shè)備以及其中的對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)和傳送卡盤進(jìn)行了綜述。目前，業(yè)界已針對(duì)晶圓鍵合對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)的成像效果與傳輸速率、晶圓快速對(duì)準(zhǔn)、晶圓鍵合傳送夾具的卡盤吸附調(diào)整、卡盤真空吸附不平整晶圓、多對(duì)晶圓鍵合卡盤、不同方向真空吸附的獨(dú)立控制和卡盤對(duì)準(zhǔn)精度補(bǔ)償?shù)确矫孢M(jìn)行了廣泛的研究，但是仍然存在晶圓鍵合對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)的相機(jī)工作效率低、圖像效果差和對(duì)準(zhǔn)精度低，傳送機(jī)構(gòu)的卡盤占用空間多、吸附不完全和吸附效果差、多對(duì)晶圓占用空間大和鍵合效果差、卡盤結(jié)構(gòu)復(fù)雜和連接管路可靠性差等問(wèn)題。如今，高端晶圓鍵合設(shè)備正面臨“卡脖子”的風(fēng)險(xiǎn)，針對(duì)晶圓鍵合設(shè)備對(duì)準(zhǔn)和傳送機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)研究與設(shè)備國(guó)產(chǎn)化是未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)。