晶圆键合机介绍

一、晶圆键合机的工作原理      

键合技术正逐渐成为集成电路中主要的工艺方法之一，在微电子学中的应用也日益普遍。晶圆键合机的基本原理是对需要键合的材料施加一系列的外部条件,比如压力、温度、环境、电压，不同的外部条件可以用来进行不同材料和结构的键合。键合品质的好坏与键合的成功率都与控制系统密切相关。因此，对键合机控制系统的研究是十分重要的。

晶圆键合机工作原理：

       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；

　　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；

　　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；

　　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）；

　　显微镜移动寻找对准标记并聚焦；

　　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；

　　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；

　　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；

　　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；

晶圆键合机可以进行晶圆级键合：阳极，共晶，直接（高温及低温），玻璃浆料，黏着，焊料，iCAB，热压。

晶圆键合机是实现系统微型化和系统更高集成度的关键工艺设备，尤其是先进的MEMS、MOEMS制造的关键设备之一。其键合工艺主要包括阳极键合、共晶键合、熔融键合。该设备主要应用于微机电系统极限环境可靠性测试试验中的封装测试过程，为各种微机电器件提供不同类型的键合封装，为检验不同材料、键合条件对可靠性的影响提供键合技术支持。

二、晶圆键合机的分类

晶圆键合机键合就是将两片表面清洁、原子级平整的同质或异质半导体材料经表面清洗和活化处理，在一定条件下直接结合，通过分子力甚至原子力使晶片键合成为一体的技术。

晶圆键合机键合技术可分为:阳极键合、共晶键合、黏着键合、共熔晶键合、热压键合。

1.阳极键合:阳极键合是将硅片和玻璃片键合在一起的一种办法。通过对紧贴的硅片和玻璃片施加高电压，由于电子迁移，使得硅酸盐和硅形成化学键，从而紧密的结合在- -起。 该类键合往往用于气密封装，或者将玻璃片变成微动硅结构的支撑。

2.共晶键合:共晶键合是将任意两种材料键合在一起的办法。对于有结构的基片，需要用键合机提供外力来键合，否则基片会发生翘曲。该种键合的主要应用领域有，MEMS器件的密封，微流体，SOI,第三代半导体，3D互联。

3.共熔晶键合:共熔晶键合是金属做为中间层的键合。需要键合的两个基片都长有金属，将金属与金属接触，加温后金属间相互扩散，形成合金，使得两个基片紧密结合。该种键合的主要应用领域有MEMS器件的封装, 3D互联，LED等等。

4.黏着键合:黏着键合是指用非金属材料做中间层的键合，如玻璃浆料，光刻胶等等。这种键合只需将两个基片表面涂覆中间层材料，然后将两个片子在键合机里粘在一起即可。这种键合的应用更加广泛，基本上所有的MEMS领域，气密封装领域，3D互联领域都有机会使用。

5.热压键合:热压键合是在样品上同时施加压力和热。这是将金引线连接到集成电路上所用的标准键合技术。

三、键合技术再微电子学中的应用

晶圆键合机是一种用于物理学领域的工艺试验仪器，于2015年4月20日启用。

以下是给大家分享的晶圆键合机键合技术在微电子学中的应用，希望能帮助大家更多的了解晶圆键合机 ，我们一起看看吧。

晶圆键合机键合技术在微电子学中的应用：

1、用键合技术形成SOI材料

到现在为止，制备得到SOI (Silicon-On-Insulator， 绝缘衬底上的硅)材料的成本一直很高，这也是一直阻碍SOI电路大规模生产的主要原因。目前制备soI材料的主要有三种技术: SIMOX (seperation by implanted oxygen)、BESOI( Bondand Etchback)和Smart-cut技术。其中Smart-cut技术是新近才发展起来的。

BESOI技术是由硅片键合技术发展而来，现在已经非常成熟BESOI技术工艺非常简单，但制得的硅膜和氧化层的质量都很好，而且很容易控制氧化层的厚度}。

现在出现一种结合了离子注入技术、键合技术和剥离技术的SOI制备技术，其原理是先利用离子注入技术将氢离子注入到硅片表面，再拿另一块硅片跟它进行低温键合，键合温度500C左右，一段时间后在注入氢离子的地方会形成空腔层，进而剥离形成SOI结构。

2、用键合技术形成MEMS结构和三维器件

用键合的方法可以用于制造形成MEMS结构。融合键合和阳极键合是制备MEMS的主要键合技术。阳极键合技术常用于微型传感器和微型执行器的制造，压力传感器的集成等。融合键合技术能形成一些复杂的多层MEMS结构和三维器件。

3、用低温键合技术形成光电子器件

光电子器件所需材料的性能一般都应满足一定 的要求,天然的材料很难满足。目前常用的异质外延技术,其制造成本较高,而且出于其结合处的位错密度较高，很难用于形成较高质量的光电子集成器件。如果利用低温键合技术不仅可以减少应力和位错，还可以大幅度减少不同材料的热失配应力，能够形成高质量的光电子集成器件。

4、用键合方法形成特殊结构和器件

键合是一个获得复合材料的有效手段，复合材料所表现出来的某些特性，是人们想利用的，因而复合材料能够用在特殊的用途上。键合的方法也可以得到不同结构的材料。

5、结论

键合技术在微电子学中的应用十分广泛，是集成电路制造不可或缺的工艺方法。键合技术可以将不同材料进行键合，可以产生具有不同特性的复合材料，因此也能产生很多新的应用。键合技术具有十分广阔的前景。

四、晶圆键合机的发展现状

晶圆键合机发展现状，晶圆键合机是用作键合工艺的设备，它并不是一个全新的设备，其发展和传统工业的发展很有渊源。液压技术的出现不仅使得锻造、冲压等成为现实，也使得人们可以将相同或者不同的材料层叠起来紧密的压在一-起， 扩散焊就是一一个典型的例子。随着微细加工技术的进步，材料的层叠需求在该领域显现出来，随之而来的就是阳极键合技术的发展，逐渐人们发现任何材料都可以进行层叠，微细加工的手段得到了极大地丰富。

目前世界上能够生产键合机的厂商主要有以下几家:

SUssMicroTec:该公司生产从6英寸至12英寸的所有键合机,是目前MEMS市场最 受 欢迎的键合机之一。市场上的占有率约50%。

EVG:该公司产品和sUSs类似，市场占有率也类似，但在中国市场表现不好。其年销售额和SUSS也类似。

AST:该公司生产低端键合机，主要应用于LED市场和最简单的黏着键合( adhesive bonding)市场。

AML:该公司生产低端键合机，其目标竞争对手是SUSS和EVG.该公司设备的缺点和优点都十分明显，其综合性能不佳，得不到市场重视。

沈阳自动化研究所:只生产阳极键合机。

综上所述，可见现在晶圆键合机市场主要被国外的品牌占有，国内的键合机产品只能完成阳极键合、黏着键合等简单的键合任务。开发具有自主知识产权的，能够完成多种键合任务的键合机是提高国内品牌产品竞争力的，壮大国内键合机品牌的必由之路。另外，国内键合机产品的控制系统还存在控制效果不佳，手动操作过多等问题。目前，国内键合机产品在温度控制和压力控制等键合机重要参数的控制上，控制效果明显落后于国外产品，并且在控制系统的自动化程度上，都落后于国外产品。不管是国内键合机产品还是国外键合机产品，在控制系统的自动化程度上都有很大的提升空间。况且，键合的品质好坏与键合的成功率都与控制系统密切相关。因此，对键合机控制系统的研究是十分重要的。

五、晶圆键合机的性能

晶圆键合机是一种用于物理学领域的工艺试验仪器，于2015年4月20日启用。 

晶圆键合机是晶圆级的封装技术，用于制造微机电系统（MEMS）、纳米机电系统（NEMS）、微电子学和光电子学，从而确保机械稳定且密封的封装。用于晶圆直径范围从2英寸到6英寸。EVG510键合系统可实现阳极键合、热压键合、中间层粘着键合、玻璃浆料键合、硅-硅直接键合、共晶键合等键合工艺。

晶圆键合机主要应用于MEMS制造、微流体芯片、化合物半导体的薄片处理、晶圆级先进封装以及3D互联、TSV工艺等。

晶圆键合机的性能：

1、 键合圆片直径：150mm/6英寸（向下兼容）

2、 最 大压力：60 kN

3、 压力均匀性：+/-5%

4、 最 高温度：550 C （上下压盘独立控温）

5、 电压/电流范围：0 ~ 2000 V/up to 50 mA

6、 真空度：5E-4 mbar

7、 对准精度：+/-5um

晶圆键合机可对基片进行原位表面处理 ；可对上下压板加热，最 高温度≥500±1℃ ；上下压板温度独立控制；上下压板调平 ；可使用石墨电极；阳极键合最高电压≥2500V（40mA）；阳极键合具有限流模式；最高键合压力≥25000N。

晶圆键合机主要功能：

1.可用于阳极键合，共晶键合，玻璃浆料键合，Si-Si熔融直接键合等硅片键合技术工艺；

2.可实现三层玻璃-硅-玻璃键合、玻璃-硅-硅键合；

3.适合晶圆键合的工艺尺寸：小片、2’’-4’’;

4.独立可控均匀对称的上、下加热电极，加热和冷却速度软件可控，最 大升温/冷却速度可达45度/分钟；

5.键和温度：550℃，温度精度±1℃，厚度均匀性≤±1％；

6.键合压力精度≤±1％,150mm片上压力均匀度<±5％; 7.抽气速率：2分钟之内可抽至0.001mbar,气体回填时间小于10s。

六、晶圆键合机对水电气的要求

晶圆键合机可对基片进行原位表面处理 ；可对上下压板加热，最 高温度≥500±1℃ ；上下压板温度独立控制；上下压板调平 ；可使用石墨电极；阳极键合最 高电压≥2500V（40mA）；阳极键合具有限流模式；最 高键合压力≥25000N。

晶圆键合机对水电气要求: 

电: 380V三相电 

气: N2压力为0.15~0.25;CDA压力0.45~0.6;

水:水压范围为0.15~0.25

常见问题

➢水管破裂漏水:

解决方法:更换水管;

抽真空困难:

原因:

1)管路漏气

2)门密封出现问题，O圈有大颗粒异物;

3) .泵抽力下降;

解决方法:

1) .检查O圈上是否有大颗粒污物;

2) .检查管路是否有漏气;

3) .检查泵是否有问题，如有进行维护或者维修;

常见问题

电磁阀过热:

原因:电磁阀线圈烧坏;

解决方法:对电磁阀线圈进行更换;

晶圆键合机主要功能：1.可用于阳极键合，共晶键合，玻璃浆料键合，Si-Si熔融直接键合等硅片键合技术工艺； 2.可实现三层玻璃-硅-玻璃键合、玻璃-硅-硅键合； 3.适合晶圆键合的工艺尺寸：小片、2’’-4’’; 4.独立可控均匀对称的上、下加热电极，加热和冷却速度软件可控，最 大升温/冷却速度可达45度/分钟； 5.键和温度：550℃，温度精度±1℃，厚度均匀性≤±1％； 6.键合压力精度≤±1％,150mm片上压力均匀度<±5％; 7.抽气速率：2分钟之内可抽至0.001mbar,气体回填时间小于10s。

七、晶圆键合机的特点

晶圆键合机可对基片进行原位表面处理 ；可对上下压板加热，最 高温度≥500±1℃ ；上下压板温度独立控制；上下压板调平 ；可使用石墨电极；阳极键合最 高电压≥2500V（40mA）；阳极键合具有限流模式；最 高键合压力≥25000N。

晶圆键合机 主要应用：

自动化生产键合系统，适用于多种熔融/分子晶圆键合应用。

晶圆键合机简单介绍：

晶圆键合是SOI晶圆制造工艺以及晶圆级3D集成和高级封装的一项关键技术。借助用于机械对准SOI的EVG850LT自动化生产键合系统以及具有LowTemp™等离子活化的直接晶圆键合，融合了熔合的所有基本步骤-从清洁，等离子活化和对准到预键合和IR检查-。因此，经过实践检验的行业标准EVG850LT确保了高达300mm尺寸的无空隙SOI晶片的高通量，高产量生产工艺。

晶圆键合机设备特征：

1) 利用EVG的LowTemp™等离子激 活技术进行SOI和直接晶圆键合

2) 适用于各种融合/分子晶圆键合应用

3) 生产系统可在高通量，高产量环境中运行

4) 盒到盒的自动操作（错误加载，SMIF或FOUP）

5) 无污染的背面处理

6) 超音速和/或刷子清洁

7) 机械键合或平面对准的预键合

8) 先进的远程诊断

晶圆键合机技术数据：

1) 晶圆直径（基板尺寸）

A. 100-200、150-300毫米

B. 全自动盒带到盒带操作

2) 预键合腔

A. 对准类型：平面到平面或凹口到凹口

B. 对准精度：X和Y：±50µm，θ：±0.1°

C. 结合力：高达5N

D. 键合压力起始位置：从晶圆边缘到中心灵活变化

E. 真空系统：9x10-2mbar（标准）和9x10-3mbar（涡轮泵选件）

3) LowTemp™等离子激 活模块

A. 2种标准工艺气体：N2和O2以及2种其他工艺气体：高纯度气体（99.999％），稀有气体（Ar，He，Ne等）和形成气体（N2，Ar含量蕞高为4％的气体）2）

B. 通用质量流量控制器：可自校准多达4种工艺气体，可进行配方编程，流速高达20.000sccm

C. 真空系统：9x10-2mbar（标准）和9x10-3mbar（涡轮泵选件），高频RF发生器和匹配单元

4) 清洁站

A. 清洁方法：冲洗（标准），超音速喷嘴，超音速面积传感器，喷嘴，刷子（可选）

B. 腔室：由PP或PFA制成

C. 清洁介质：去离子水（标准），NH4OH和H2O2（蕞大）。2％浓度（可选）

D. 旋转卡盘：真空卡盘（标准）和边缘处理卡盘（选件）由不含金属离子的清洁材料制成

E. 旋转：蕞高3000rpm（5s）

F. 清洁臂：蕞多5条介质线（1个超音速系统使用2条线）

5) 备选功能

A. ISO3迷你环境（根据ISO14644）

B. LowTemp™等离子活化腔室

C. 红外检查站

可以看到，晶圆键合机主要是为一些特殊的低温键合应用而设计的，它的引进，将提高了国内企业的晶圆键合技术水平，有助于提升综合技术能力。