CN111584415A - 一种用于晶圆键合的对准*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于晶圆键合的对准***,其中精密晶圆位移模块包括第一晶圆支撑结构和第二晶圆移动支撑结构,红外成像模块包括红外光源、聚焦透镜组、成像透镜组和红外探测器;待对准的第一晶圆和第二晶圆分别固定在支撑结构上;红外光源发出的红外检测光经聚焦透镜组后入射至晶圆的对准标记,对准标记的反射光经成像透镜组后入射至红外探测器,得到红外图像;计算机根据红外图像控制支撑结构移动,使第一对准标记和第二对准标记对准。本发明采用红外成像模块透过晶圆对对准标记成像,仅在晶圆的正面制备对准标记即可,工艺步骤简便,缩短了制程周期,对准误差较小;本发明可以实现高分辨率成像,与传统红外成像***相比成本低、精度高。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造检测技术领域,特别涉及一种用于晶圆键合的对准***。
背景技术
在半导体制造领域,晶圆键合作为一种能够批量生产的技术手段,被广泛应用到微电子芯片的制造中。晶圆键合技术具体指通过化学或物理作用将不同材料的晶片紧密结合起来,界面处的原子发生反应而形成的共价键形成紧密键合。
在晶圆键合的过程中,两片晶圆的对准度是一个十分重要的参数。常规的键合装置采用可见光成像***。由于可见光不能透过硅片,因此需要在某一个硅片的正反两面都做对准标记,以实现两片晶圆的对准。这种工艺需要使用双面对准的光刻设备,对设备提出更高的要求。另外增加了反面对准标记的工艺步骤,增加了工艺制程和周期,同时也带来更大的对准误差。
发明内容
基于此,为提高晶圆键合过程的准确度和操作的简便性,本发明提供了一种用于晶圆键合的对准***,该***可用于半导体制造领域的晶圆键合过程中,有效提高晶圆键合的对准精度和键合效果。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种用于晶圆键合的对准***,包括精密晶圆位移模块、红外成像模块和计算机,所述精密晶圆位移模块包括第一晶圆支撑结构和第二晶圆移动支撑结构,所述红外成像模块包括红外光源、聚焦透镜组、成像透镜组和红外探测器;
待对准的第一晶圆和第二晶圆分别固定在所述第一晶圆支撑结构和所述第二晶圆移动支撑结构上,且所述第一晶圆支撑结构与所述第二晶圆移动支撑结构相对设置,使所述第一晶圆刻有第一对准标记的表面和所述第二晶圆刻有第二对准标记的表面相对;
所述红外光源发出的红外检测光经所述聚焦透镜组后入射至所述第一对准标记和所述第二对准标记,所述第一对准标记和所述第二对准标记对红外检测光进行反射,反射光经所述成像透镜组后入射至所述红外探测器,所述红外探测器输出成像信号至所述计算机,所述计算机根据所述成像信号进行红外成像,得到红外图像;
所述计算机分别与所述第一晶圆支撑结构和所述第二晶圆移动支撑结构连接,所述计算机根据所述红外图像中所述第一对准标记和所述第二对准标记的位置控制所述第一晶圆支撑结构和所述第二晶圆移动支撑结构移动,使所述第一对准标记和所述第二对准标记对准。
与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
本发明所提出的一种用于晶圆键合的对准***采用红外成像模块透过晶圆对对准标记成像,仅在晶圆的正面制备对准标记即可,工艺步骤简便,缩短了制程周期,对准误差较小,同时本发明采用红外成像模块可以实现高分辨率成像,与传统红外成像***相比成本低。
附图说明
图1为本发明一种用于晶圆键合的对准***在一个实施例中的结构示意图;
图2为本发明其中一个具体实施方式中红外成像模块与二维精密红外位移模块的连接示意图;
图3为本发明另一个具体实施方式中摆镜在不同角度下的光路示意图;
图中,1、第一晶圆支撑结构;2、第二晶圆移动支撑结构;3、红外光源;4、聚焦透镜组;5、成像透镜组;6、红外探测器;7、第一晶圆;8、第二晶圆;9、第一对准标记;10、第二对准标记;11、摆镜;12、二维精密红外位移模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
图1为本发明一种用于晶圆键合的对准***在一个实施例中的结构示意图。参照图1,本发明提供一种用于晶圆键合的对准***,该对准***包括精密晶圆位移模块、红外成像模块和计算机,由于红外线能够透过硅片,因此红外成像模块发出的红外检测光可透过晶圆并进行成像检测,精密晶圆位移模块用于控制键合晶圆移动,可实现纳米级精度二维平移,计算机用于进行图像显示以及控制精密晶圆位移模块等。具体地,精密晶圆位移模块包括第一晶圆支撑结构1和第二晶圆移动支撑结构2,红外成像模块包括红外光源3、聚焦透镜组4、成像透镜组5和红外探测器6。
精密晶圆位移模块包括第一晶圆支撑结构1和第二晶圆移动支撑结构2。第一晶圆支撑结构1用于支撑第一晶圆7,以及在键合时调节第一晶圆7的位置;第二晶圆移动支撑结构2用于支撑第二晶圆8,以及实现第二晶圆8的精密移动,第二晶圆移动支撑结构2可实现对晶圆上下左右四个方位的微小移动,移动精度可达纳米级别。
待对准的第一晶圆7和第二晶圆8分别固定在第一晶圆支撑结构1和第二晶圆移动支撑结构2上,第一晶圆7和第二晶圆8可以为任意尺寸、任意形状以及适合热压键合的材质,第一晶圆7和第二晶圆8为裸晶圆或者经过加工之后具有表面结构的单层或多层晶圆,此处不做限定。
第一晶圆7和第二晶圆8的边缘处分别刻有第一对准标记9和第二对准标记10,如图1所示,对准标记用于标记方位和两片晶圆对准。较佳的,第一对准标记9和第二对准标记10的形状相同,第一对准标记9和第二对准标记10的形状可为十字形、方形或者排列图案组合中的任意一种,此处不做限定。第一晶圆支撑结构1与第二晶圆移动支撑结构2相对设置,使第一晶圆7刻有第一对准标记9的表面和第二晶圆8刻有第二对准标记10的表面相对。本发明无需在晶圆背面制作对准标记,因此减少了工艺制程和周期。
参照图1,红外成像模块包括红外光源3、聚焦透镜组4、成像透镜组5和红外探测器6,红外光源3能够发出透过晶圆的红外检测光,红外光源3发出的红外检测光经聚焦透镜组4后入射至第一晶圆7的表面,红外检测光穿透第一晶圆7后照射至第二晶圆8的表面,红外检测光照射第一对准标记9和第二对准标记10,第一对准标记9和第二对准标记10对红外检测光进行反射,反射光穿透第一晶圆7,经成像透镜组5后入射至红外探测器6,红外探测器6对晶圆及对准标记进行成像,输出成像信号至计算机,计算机根据成像信号进行红外成像,得到包括对准标记的红外图像。
优选的,红外光源3采用波长可调谐的红外激光器,红外检测光为单波长激光或者多波长激光,红外检测光的波长范围为800nm~1200nm,红外检测光的具体波长可据成像需要进行调节。
聚焦透镜组4和成像透镜组5采用对红外波段透射率较大的锗材料,在移动晶圆成像的过程中,可同时保证整个视场的位移均匀性和像面上像质的质量。
本实施例中的红外探测器6可以为非制冷型红外探测器或制冷型红外探测器,制冷型红外探测器可采用气体制冷或斯特林制冷方式,非制冷型红外探测器可在内部集成制冷片提高探测灵敏度。优选的,红外探测器6为内部集成制冷片的非制冷型红外探测器,无需大体积的制冷装置,具有功耗低、成本低的优点。
进一步地,红外成像模块设置为两个。如图1所示,红外成像模块的数量与键合晶圆上对准标记的数量一致,两个红外成像模块对称设置在第一晶圆7上第一对准标记9的对应位置处。两个红外成像模块位于第一晶圆7的同侧。
计算机分别与第一晶圆支撑结构1和第二晶圆移动支撑结构2连接,计算机根据红外图像中第一对准标记9和第二对准标记10的位置控制第一晶圆支撑结构1和第二晶圆移动支撑结构2移动,使第一对准标记9和第二对准标记10对准。
本实施例所提出的一种用于晶圆键合的对准***采用红外成像模块透过晶圆对对准标记成像,仅在晶圆的正面制备对准标记即可,工艺步骤简便,缩短了制程周期,对准误差较小,同时本发明采用红外成像模块可以实现高分辨率成像,与传统红外成像***相比成本低。
在一个具体实施方式中,为获得高分辨率的红外图像,弥补红外探测器像元尺寸的不足,计算机通过多帧重建的方法获得高分辨率的红外图像,计算机所采用的多帧重建的方法包括以下步骤:
计算机控制精密晶圆位移模块每次移动1/2个像素或者控制红外成像模块对第一晶圆7和第二晶圆8进行逐点扫描,得到2×2幅亚像素图像;
对2×2幅亚像素图像进行重建,即从多帧低分辨率的图像中获得非冗余的信息,并进行去重叠处理和去噪声处理后,得到高分辨率的红外图像。
本实施方式通过利用控制精密晶圆位移模块每次移动1/2个像素或者控制红外成像模块对第一晶圆7和第二晶圆8进行逐点扫描,进行扫描成像,再由计算机进行亚像素图像重建和合成,实现超分辨成像,最终获得高分辨率的红外图像,从而进一步提高晶圆键合时晶圆的对准精度。可选地,计算机可以控制精密晶圆位移模块每次移动1/3个像素,从而得到3×3幅亚像素图像。
利用扫描计算合成图像的方式,可以突破光学分辨率极限,实现超分辨成像。计算机可以通过两种方式控制红外成像模块对第一晶圆7和第二晶圆8进行逐点扫描,其中一种方式是利用二维精密红外位移模块,另一种方式是利用摆镜模块。下面对这两种方式分别进行介绍。
参照图2,图2为红外成像模块与二维精密红外位移模块的连接示意图,计算机利用二维精密红外位移模块控制红外成像模块对第一晶圆7和第二晶圆8进行逐点扫描,二维精密红外位移模块包括两个结构相同且相互垂直设置的位移机构,分别为第一位移机构和第二位移机构,并且每一个位移机构都包括导轨、丝杠、滑块和驱动电机,其中滑块与丝杠螺纹配合且滑块与导轨滑动配合,丝杠和驱动电机安装在导轨上,驱动电机的输出轴与丝杠的一端固定连接,驱动电机与计算机连接,其中一个位移机构(即第一位移机构)的导轨与另一个位移机构(即第二位移机构)的滑块固定连接,红外成像模块与另一个位移机构(即第二位移机构)的滑块固定连接。计算机控制两个驱动电机转动,驱动电机的输出轴带动对应的丝杠转动,由于滑块与丝杠螺纹配合并且滑块与导轨滑动配合,因此丝杠转动将带动对应的滑块移动,从而实现红外成像模块的二维移动,进而实现对第一晶圆7和第二晶圆8进行逐点扫描。
参照图3,图3(a)和图3(b)分别为摆镜11在不同角度下的光路示意图,计算机利用摆镜模块控制红外成像模块对第一晶圆7和第二晶圆8进行逐点扫描,摆镜模块包括摆镜11和用于驱动摆镜11转动的微动电机;摆镜11用于将第一对准标记9和第二对准标记10反射的红外检测光反射至红外探测器6,微动电机与摆镜11的背面固定连接,微动电机与计算机连接。红外成像模块固定在机械平台上,微动电机在计算机的控制下驱动摆镜11转动微小的角度,从而改变红外光线的方向,实现对第一晶圆7和第二晶圆8进行逐点扫描。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合,为使描述简洁,未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述,然而,只要这些技术特征的组合不存在矛盾,都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式,其描述较为具体和详细,但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是,对于本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进,这些都属于本发明的保护范围。因此,本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种用于晶圆键合的对准***,其特征在于,包括精密晶圆位移模块、红外成像模块和计算机,所述精密晶圆位移模块包括第一晶圆支撑结构(1)和第二晶圆移动支撑结构(2),所述红外成像模块包括红外光源(3)、聚焦透镜组(4)、成像透镜组(5)和红外探测器(6);
待对准的第一晶圆(7)和第二晶圆(8)分别固定在所述第一晶圆支撑结构(1)和所述第二晶圆移动支撑结构(2)上,且所述第一晶圆支撑结构(1)与所述第二晶圆移动支撑结构(2)相对设置,使所述第一晶圆(7)刻有第一对准标记(9)的表面和所述第二晶圆(8)刻有第二对准标记(10)的表面相对;
所述红外光源(3)发出的红外检测光经所述聚焦透镜组(4)后入射至所述第一对准标记(9)和所述第二对准标记(10),所述第一对准标记(9)和所述第二对准标记(10)对红外检测光进行反射,反射光经所述成像透镜组(5)后入射至所述红外探测器(6),所述红外探测器(6)输出成像信号至所述计算机,所述计算机根据所述成像信号进行红外成像,得到红外图像;
所述计算机分别与所述第一晶圆支撑结构(1)和所述第二晶圆移动支撑结构(2)连接,所述计算机根据所述红外图像中所述第一对准标记(9)和所述第二对准标记(10)的位置控制所述第一晶圆支撑结构(1)和所述第二晶圆移动支撑结构(2)移动,使所述第一对准标记(9)和所述第二对准标记(10)对准。
2.根据权利要求1所述的用于晶圆键合的对准***,其特征在于,所述红外图像为高分辨率的红外图像,所述计算机通过多帧重建的方法获得高分辨率的红外图像,多帧重建的方法包括以下步骤:
所述计算机控制精密晶圆位移模块每次移动1/2个像素或者控制所述红外成像模块对所述第一晶圆(7)和所述第二晶圆(8)进行逐点扫描,得到2×2幅亚像素图像;
对2×2幅所述亚像素图像进行重建,并进行去重叠处理和去噪声处理后,得到高分辨率的红外图像。
3.根据权利要求2所述的用于晶圆键合的对准***,其特征在于,
所述计算机利用二维精密红外位移模块控制所述红外成像模块对所述第一晶圆(7)和所述第二晶圆(8)进行逐点扫描,所述二维精密红外位移模块包括两个结构相同且相互垂直设置的位移机构;
每一个所述位移机构包括导轨、丝杠、滑块和驱动电机,所述滑块与所述丝杠螺纹配合且所述滑块与所述导轨滑动配合,所述丝杠和所述驱动电机安装在所述导轨上,所述驱动电机的输出轴与所述丝杠的一端固定连接,所述驱动电机与所述计算机连接;
其中一个位移机构的导轨与另一个位移机构的滑块固定连接,所述红外成像模块与另一个位移机构的滑块固定连接。
4.根据权利要求2所述的用于晶圆键合的对准***,其特征在于,
所述计算机利用摆镜模块控制所述红外成像模块对所述第一晶圆(7)和所述第二晶圆(8)进行逐点扫描,所述摆镜模块包括摆镜(11)和用于驱动所述摆镜(11)转动的微动电机;
所述摆镜(11)用于将所述第一对准标记(9)和所述第二对准标记(10)反射的红外检测光反射至所述红外探测器(6),所述微动电机与所述摆镜(11)的背面固定连接,所述微动电机与所述计算机连接。
5.根据权利要求1或2所述的用于晶圆键合的对准***,其特征在于,
所述红外光源(3)采用波长可调谐的红外激光器,红外检测光为单波长激光或者多波长激光,红外检测光的波长范围为800nm~1200nm。
6.根据权利要求1或2所述的用于晶圆键合的对准***,其特征在于,
所述聚焦透镜组(4)和所述成像透镜组(5)的材质为锗。
7.根据权利要求1或2所述的用于晶圆键合的对准***,其特征在于,
所述红外探测器(6)为内部集成制冷片的非制冷型红外探测器。
8.根据权利要求1或2所述的用于晶圆键合的对准***,其特征在于,
所述红外成像模块设置为两个。
9.根据权利要求1或2所述的用于晶圆键合的对准***,其特征在于,
所述第一对准标记(9)和所述第二对准标记(10)的形状相同,形状为十字形、方形或者排列图案组合中的任意一种。
10.根据权利要求1或2所述的用于晶圆键合的对准***,其特征在于,
所述第一晶圆(7)和所述第二晶圆(8)为裸晶圆或者具有表面结构的单层或多层晶圆。
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