CN101090082A - 多功能半导体晶片键合装置 - Google Patents
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Abstract
一种多功能半导体晶片键合装置，包括键合腔室，该键合腔室中间的下部安装有一下压头；抽真空装置与键合腔室连接，控制真空泵机组对键合腔室抽真空，并且实时监测键合腔室的真空度；加热装置位于键合腔室内，对键合腔室加热到设定的温度，并且通过反馈装置保持键合腔室的温度在一定范围内，并且能够实时监测键合腔室的温度；气体氛围改变装置与键合腔室连接，改变键合腔室的气体氛围分别为真空、氮气氛围、氢气氛围或者氮气氢气混合氛围；施力装置位于键合腔室的任一侧，为键合腔室内的半导体晶片施加压力，并且可以实时监控键合晶片上施加的压力。
Description
技术领域
本发明涉及本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及半导体晶片键合技术中的半导体晶片键合装置。
背景技术
两个表面平整洁净的晶片在一定的条件下可以通过表面的化学键相互结合起来，而不受两种晶片材料的晶格、晶向的限制，这就是晶片键合技术。利用键合技术组合新结构材料有极大的自由度，所以被广泛地应用于微电子电路、传感器、功率器件、微机械加工、光电子器件、绝缘性硅晶片(SOI)等领域。晶片键合技术已经成为一种可以用来制作很多重要光电子器件的技术。晶片键合技术需要专用的晶片键合装置来实现。
在半导体晶片键合过程中，晶片键合装置需要完成以下几个功能：真空、键合压力、加热及温控以及腔室气氛的调节。从晶片键合的原理来说，高真空是为了满足真空晶片键合的需求，高真空环境中的气体分子数量很少，对键合晶片表面带来的沾污小，而且高真空状态下有利于吸附于晶片表面的分子脱附，提高晶片表面的活性，有利于晶片键合能的提高。由于键合的晶片有一定的起伏，不可能是理想的平面，为了增加键合晶片表面之间的接触面积以便键合的进行和扩展，需要对键合晶片对提供一定的压力。而且在同样的退火条件下，键合压力越大越易于实现晶片键合。但是键合压力太大又有可能使得键合的晶片对表面形成裂纹，因此需要精确的控制键合的施力范围。加热及温控部分可以实现高低温退火的功能，由于处于高真空环境中，气体稀薄，对流的加热方式加热效果不明显，通常采用的加热方式都是在施加压力的施力压头上分布着均匀加热的钼片或者电阻丝来提供均匀的加热，温控部分完成温度控制及监测功能，实现对真空腔室的升温、恒温和降温的控制和监测，从而为键合晶片对提供真空退火。腔室气氛调节是通过充气和排气控制部分来对腔室提供氮气或者氢气气体，以实现氮气或者氢气氛围下的晶片键合退火过程。
现有的晶片键合设备只针对一种半导体材料进行真空晶片键合、氮气氛围键合或者氢气氛围键合，不同条件下的键合需要专用的设备，扩展性差，不仅不利于对不同条件下的晶片键合进行对比，而且不同条件下的键合实验需要不同的设备。
发明内容
本发明的目的是提供一种多功能半导体晶片键合装置，以解决现有技术中键合设备利用率低、扩展性差的缺陷。
为达到上述目的，本发明提出了一种多功能半导体晶片键合装置，包括键合腔室、抽真空装置、加热装置、气体氛围改变装置和施力装置，其特征在于，其中：
该键合腔室提供键合所需的洁净空间，该键合腔室中间的下部安装有一下压头；
抽真空装置，该抽真空装置与键合腔室连接，控制真空泵机组对键合腔室抽真空，并且实时监测键合腔室的真空度；
加热装置，该加热装置位于键合腔室内，对键合腔室加热到设定的温度，并且通过反馈装置保持键合腔室的温度在一定范围内，并且能够实时监测键合腔室的温度；
气体氛围改变装置，该气体氛围改变装置与键合腔室连接，改变键合腔室的气体氛围分别为真空、氮气氛围、氢气氛围或者氮气氢气混合氛围；
施力装置，该施力装置位于键合腔室的任一侧，为键合腔室内的半导体晶片施加压力，并且可以实时监控键合晶片上施加的压力。
其中施力装置包括：
一施力气缸；
一传动装置，该传动装置一端与施力气缸连接，另一端连接一上压头，该上压头伸入到键合腔室内，该上压头与键合腔室内的下压头相对；
一压差计，该压差计与施力气缸连接；
一施力调节装置，该施力调节装置与施力气缸连接。
其中所述键合腔室的外壁被冷却循环水套包围，通过恒温的冷却循环水避免键合腔室高温损坏。
其中加热装置是轴对称分布在键合腔室内。
本发明技术方案的有益效果是：在一套晶片键合装置中，可以分别实现真空晶片键合、氮气氛围晶片键合、氢气氛围晶片键合和氮气氢气混合氛围晶片键合，减小了成本，扩展了晶片键合设备的功能。
附图说明
为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：
图1是晶片键合***示意图；
图2是真空晶片键合时多功能晶片键合***真空度变化图；
图3是真空晶片键合时多功能晶片键合***温度变化图；
图4是真空晶片键合时多功能晶片键合***压力差变化图；
图5是多功能晶片键合***实现的半导体晶片真空键合的红外透射图像；
图6是氮气氛围晶片键合时多功能晶片键合***真空度变化图；
图7是氮气氛围晶片键合时多功能晶片键合***温度变化图；
图8是氮气氛围晶片键合时多功能晶片键合***压力差变化图；
图9是多功能晶片键合***实现的半导体晶片氮气氛围晶片键合的红外透射图像；
图10是氢气氛围晶片键合时多功能晶片键合***真空度变化图；
图11是氢气氛围晶片键合时多功能晶片键合***温度变化图；
图12是氢气氛围晶片键合时多功能晶片键合***压力差变化图；
图13是多功能晶片键合***实现的半导体晶片氢气氛围晶片键合的红外透射图像。
具体实施方式
下面本发明将结合附图，对本发明的最佳实施方案进行详细描述。
请参阅图1所示，本发明一种多功能半导体晶片键合装置，包括键合腔室10、抽真空装置20、加热装置30、气体氛围改变装置40和施力装置50，其特征在于，其中：
该键合腔室10提供键合所需的洁净空间，该键合腔室10中间的下部安装有一下压头12；其中所述键合腔室10的外壁被冷却循环水套11包围，通过恒温的冷却循环水避免键合腔室高温损坏；
抽真空装置20，该抽真空装置20与键合腔室10连接，控制真空泵机组对键合腔室10抽真空，并且实时监测键合腔室10的真空度；
加热装置30，该加热装置30位于键合腔室10内，对键合腔室10加热到设定的温度，并且通过反馈装置保持键合腔室10的温度在一定范围内，并且能够实时监测键合腔室10的温度；其中加热装置30是轴对称分布在键合腔室10内；
气体氛围改变装置40，该气体氛围改变装置40与键合腔室10连接，改变键合腔室10的气体氛围分别为真空、氮气氛围、氢气氛围或者氮气氢气混合氛围；
施力装置50，该施力装置50位于键合腔室10的任一侧，通过传动装置及上压头521为键合腔室10内的下压头12上的半导体晶片施加压力，并且可以通过其中的压差计53实时监控键合晶片上施加的压力；
其中施力装置50包括：
一施力气缸51；
一传动装置52，该传动装置52一端与施力气缸51连接，另一端连接一上压头521，该上压头521伸入到键合腔室10内，该上压头521与键合腔室10内的下压头12相对；
一压差计53，该压差计53与施力气缸51连接；
一施力调节装置54，该施力调节装置54与施力气缸51连接。
请再参阅如图1所示是一种多功能半导体晶片键合装置，键合腔室10是一个真空密闭的腔室，通过抽真空装置20对其真空状态进行调节，通过气体氛围改变装置40改变键合腔室的氛围，实现真空键合、氮气氛围键合、氢气氛围键合和氮气氢气混合氛围键合。键合腔室10被冷却循环水套11包围，通过恒温的冷却循环水避免键合腔室高温损坏。抽真空装置20包括真空泵、连接真空泵和键合腔室的管道及阀门、复合真空计，其中的真空泵包括机械泵、分子泵。
该套多功能晶片键合装置，在常温下抽真空，由大气至5×10-4Pa约需要60分钟；整机漏率≤5×10-8Pa·m3/S；最高温度700℃，温度均匀性可以保持在±3℃；施力装置的施力范围在0～1350Kg。
在具体实施例1中将说明利用多功能晶片键合装置实现真空晶片键合。本发明的多功能晶片键合设备进行真空晶片键合的工作过程如下：为冷却循环水套11充入低温的冷却循环水；将清洗好的半导体晶片放入所述多功能半导体晶片键合装置的键合腔室10内的下压头12上；通过承担施力装置50中的施力调节装置54的施力调节功能的施力机械泵调节施力装置50的施力气缸51上下腔室的气体压强差，其中的压强差通过压强计53实时监测施加到半导体晶片上的压力差，传动装置52将施力气缸51产生的压力通过上压头521施加到下压头12上的半导体晶片上；调节施力机械泵，使施加到半导体晶片的压力与设定值相同；关闭键合腔室10，通过抽真空装置20对键合腔室10抽真空；当键合腔室10的真空度达到所需级别时，加热装置30对键合腔室10加热，并在温度达到设定值过后，在键合所需的时间范围内，保持键合腔室10的温度恒定，并且通过温度监控装置显示键合腔室10的温度；对键合腔室10降温，当温度与室温相当时，关闭气体氛围改变装置40和抽真空装置20；减小施力装置50施加的压力，直到施力传动装置52带着上压头521离开下压头12上的半导体晶片；打开键合腔室10，将键合好的半导体晶片取出键合腔室10。图2是真空键合过程中真空度的变化示意图，图3是真空晶片键合过程中温度变化示意图，图4是真空晶片键合过程中施力装置施加到晶片上的压强差的变化示意图，图5是晶片键合***实现的半导体晶片真空键合的红外透射图像，该图像说明用所述多功能晶片键合设备，通过真空晶片键合，能够得到键合质量较好的键合晶片。
在具体实施例2中将说明氮气氛围晶片键合。本发明的多功能晶片键合装置进行氮气氛围晶片键合的工作过程如下：为冷却循环水套11充入低温的冷却循环水；将清洗好的半导体晶片放入所述多功能半导体晶片键合装置的键合腔室10内的下压头12上；通过承担施力装置50中的施力调节装置54的施力调节功能的施力机械泵调节施力装置50的施力气缸51上下腔室的气压差，其中的压强差通过压强计53实时监测施加到半导体晶片上的压力差，传动装置52将施力气缸51产生的压力通过上压头521施加到下压头12上的半导体晶片上；调节施力调节装置54的施力机械泵，使施加到半导体晶片的压力与设定值相同；关闭键合腔室10，通过抽真空装置20的初级泵对键合腔室10粗抽真空；当键合腔室10的真空度稳定时，打开气体氛围改变装置40上的氮气调节阀门，为键合腔室10通入氮气，氮气流量和抽真空装置20共同作用下，使键合腔室10的真空度稳定；加热装置30对键合腔室10加热，并在温度达到设定值过后，在键合所需的时间范围内，保持键合腔室10的温度恒定，并且通过温度监控装置显示键合腔室10的温度；对键合腔室10降温，当温度与室温相当时，关闭气体氛围改变装置40，停止充入氮气，关闭抽真空装置20；减小施力装置50施加的压力，直到施力传动装置52及上压头521离开下压头12上的半导体晶片；打开键合腔室10，将键合好的半导体晶片取出键合腔室10。
图6是氮气氛围晶片键合时晶片键合装置真空度变化图；图7是氮气氛围晶片键合时晶片键合***温度变化图；图8是氮气氛围晶片键合时晶片键合装置压力差变化图；图9是多功能晶片键合装置实现的半导体晶片氮气氛围晶片键合的红外透射图像，该图像说明用所述多功能晶片键合设备，通过氮气氛围晶片键合，能够得到键合质量较好的键合晶片。
在具体实施例3中将说明氢气氛围晶片键合。本发明的多功能晶片键合设备进行氢气氛围晶片键合的工作过程如下：为冷却循环水套11充入低温的冷却循环水；将清洗好的半导体晶片放入所述多功能半导体晶片键合装置的键合腔室10内的下压头12上；通过承担施力装置50中的施力调节装置54的施力调节功能的施力机械泵调节施力装置50的施力气缸51上下腔室的气压差，其中的压强差通过压强计53实时监测施加到半导体晶片上的压力差，传动装置52将施力气缸51产生的压力通过上压头521施加到下压头12上的半导体晶片上；调节施力调节装置54的施力机械泵，使施加到半导体晶片的压力与设定值相同；关闭键合腔室10，通过抽真空装置20的初级泵对键合腔室10粗抽真空；当键合腔室10的真空度稳定时，打开气体氛围改变装置40上的氮气调节阀门，为键合腔室10通入氮气，再打开气体氛围改变装置40上的氢气调节阀门，为键合腔室10通入氢气，氮气、氢气和抽真空装置20共同作用下，使键合腔室10的真空度稳定，并且保持键合腔室10处于氮气氢气混合气体的一种氛围；加热装置30对键合腔室10加热，并在温度达到设定值过后，在键合所需的时间范围内，保持键合腔室10的温度恒定，并且通过温度监控装置显示键合腔室10的温度；对键合腔室10降温，当温度与室温相当时，关闭气体氛围改变装置40，停止充入氮气，关闭抽真空装置20；减小施力装置50施加的压力，直到施力传动装置52及上压头521离开下压头12上的半导体晶片；打开键合腔室10，将键合好的半导体晶片取出键合腔室10。其中，充入氮气氢气混合气的目的是为了防止氢气成分太高可能引起的***等危险。
图10是氢气氛围晶片键合时晶片键合***真空度变化图；图11是氢气氛围晶片键合时晶片键合***温度变化图；图12是氢气氛围晶片键合时晶片键合***压力差变化图；图13是多功能晶片键合***实现的半导体晶片氢气氛围晶片键合的红外透射图像，该图像说明用所述多功能晶片键合设备，通过氢气氛围晶片键合，能够得到键合质量较好的键合晶片。由于氢气是一种还原性气体，因此在键合过程中，易于与晶片表面残余的氧化物反应，并且将界面反应形成的水汽抽出键合晶片表面，因此对于键合界面氧化物的去除有一定的好处。
通过本发明的多功能晶片键合装置，在同一套装置中可以分别实现不同气氛氛围的晶片键合，降低了研究成本，扩展了晶片键合设备的用途。
Claims (4)
1、一种多功能半导体晶片键合装置，包括键合腔室、抽真空装置、加热装置、气体氛围改变装置和施力装置，其特征在于，其中：
该键合腔室提供键合所需的洁净空间，该键合腔室中间的下部安装有一下压头；
抽真空装置，该抽真空装置与键合腔室连接，控制真空泵机组对键合腔室抽真空，并且实时监测键合腔室的真空度；
加热装置，该加热装置位于键合腔室内，对键合腔室加热到设定的温度，并且通过反馈装置保持键合腔室的温度在一定范围内，并且能够实时监测键合腔室的温度；
气体氛围改变装置，该气体氛围改变装置与键合腔室连接，改变键合腔室的气体氛围分别为真空、氮气氛围、氢气氛围或者氮气氢气混合氛围；
施力装置，该施力装置位于键合腔室的任一侧，为键合腔室内的半导体晶片施加压力，并且可以实时监控键合晶片上施加的压力。
2、如权利要求1所述多功能半导体晶片键合装置，其特征在于，其中施力装置包括：
一施力气缸；
一传动装置，该传动装置一端与施力气缸连接，另一端连接一上压头，该上压头伸入到键合腔室内，该上压头与键合腔室内的下压头相对；
一压差计，该压差计与施力气缸连接；
一施力调节装置，该施力调节装置与施力气缸连接。
3、如权利要求1所述多功能半导体晶片键合装置，其特征在于：其中所述键合腔室的外壁被冷却循环水套包围，通过恒温的冷却循环水避免键合腔室高温损坏。
4、如权利要求3所述多功能半导体晶片键合装置，其特征在于：其中加热装置是轴对称分布在键合腔室内。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |