晶圆键合对准机的原理与应用

一、晶圆键合设备的工作原理

1、 第一个晶圆面朝下置于晶圆对准设备卡盘并传送到对准机内；

2、对准机内，晶圆在Z轴方向上移动直到被顶部的传输夹具真空吸附固定；

3、被传输夹具固定的第一个晶圆将成为后续对准工艺的基准，确定所有对准移动的起点；

4、每个晶圆的左右两边各有一个对准标记（标记的距离越大越好）；

5、显微镜移动寻找对准标记并聚焦；

6、以面朝上的方式将第二个晶圆载入机台，与第1个晶圆面面相向；

7、第2个晶圆被真空吸附固定在位于可移动的对准台的卡盘上；

8、对准台沿x/y/方向运动或θ角旋转，查找第2个晶圆的对准标记并对准；

9、对准后底层晶圆提升到接触位置，并通过卡盘边缘卡箍将晶圆固定。

二、对准过程响应的误差

移位误差：如果发现晶圆两边的对准标记均在X轴方向向里或向外发生偏移，那么晶圆存在移位误差。

原因：由步进光刻机步进距离设置不合理造成，造成图形在水平方向上发生偏移，偏移量可达0，10.1μm。

楔形误差补偿（WEC-Wedge Error Compensation）原理：在底层晶圆向上移动过程中对其施加1000g的弹簧压力，以使二者保持平行。

临时键合

三、对准技术

对转技术可以分为与实时图像对准和预先存储的对准标记对准两类。

普遍流程：

1、把第1个晶圆载入对准机中，使用左右物镜寻找晶圆边缘的对准标记；

2、载入第2个晶圆，重复搜寻对准标记的操作，并移动晶圆直到对准标记与第1个晶圆的相互重叠

对准方法：

　　顶部对准和底部对准（TSA/BSA）

　　红外对准（IR）

　　片面对准（ISA）

　　面-面对准

红外（IR）对准的局限性

a.硅吸收光，如果光子能量高于硅的禁带宽度，那么将会出现强烈甚至完全的光吸收

b.与晶圆厚度有关。红外能量的衰减与衬底厚度呈指数关系。

c.与叠层晶圆出射面的粗糙程度有关。过于粗糙会发生光散射造成图像模糊。

存在两种可以满足面对面式的3D晶圆级键合的对准方法：

SUSS MicroTec的ISA技术，该方法采用在上、下晶圆之间插入光学镜头的方式进行成像对准采用EV Group的SmartView对准系统。

提升对准精度的方式——改进对准标记

理想的对准标记具备几何对准图形和对准游标，以实现对套刻偏移量的测量。

 

叠加投影技术已被用于晶圆熔融键合的高精度IR对准工艺流程。

四、晶圆传送夹具

机械夹具应当从3个方向对晶圆进行固定，因为：

1、3个固定点可以确定1个平面，可以避免在晶圆直径两端同时夹持造成堆叠晶圆弯曲问题。

2、使用三点固定式夹具时，可通过对卡箍及隔离垫片运动控制软件的调整实现分步移除，具体过程：

　　收回卡箍并回缩隔离垫片，此时堆叠晶圆由2枚卡箍夹持

　　将卡箍放回继续夹持，收回卡箍并回缩隔离垫片

　　重复上述步骤，知道隔离垫片回缩

五、晶圆键合技术

 

六、键合质量检测

　　键合质量测试是指对对准精度、键合强度以及界面空隙的检测

对准精度

　　如果键合晶圆中有一个是透明的，可采用IR或BSA对准显微镜进行对准金固定测量

键合强度

　　Tong和Gosele 提出的方式具有破坏性，设计拉伸测试及裂纹测试。

界面空隙

　　采用IR对键合空隙进行快速成像检测，并可以检测所有空隙

　　采用CCD成像侧向观察，并需要一个高度1μm的空隙开口，通过亮与暗的菲涅尔波纹来观察空隙。

　　高分辨率的声学显微镜

键合界面空隙鉴别的方法包括：

　　X射线断层扫描、破坏性切割分析及界面刻蚀表征空隙等