吳尚賢，王成君，王廣來，楊道國

（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大環(huán)境的推動下，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。在后摩爾時代，集成電路逐漸從傳統(tǒng)的2D 集成電路向3D 集成電路過渡[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、晶圓級對準(zhǔn)精度、層間互連以及晶圓減薄與均勻性控制的問題尚待解決[6]。

MEMS 是通過氧化、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結(jié)構(gòu)，在后道工序組裝以及實(shí)際應(yīng)用的過程中，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MEMS 器件進(jìn)行封裝處理，以保證其中的可動結(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、壓力傳感器、陀螺儀、磁力計、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，晶圓級封裝鍵合技術(shù)已經(jīng)逐漸成為實(shí)現(xiàn)存儲器、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，國內(nèi)眾多企業(yè)、高校以及研究所已經(jīng)開展對晶圓級封裝鍵合技術(shù)的研究[11]。本文就晶圓鍵合工藝與設(shè)備、晶圓鍵合對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)和傳送機(jī)構(gòu)以及國內(nèi)外主要晶圓鍵合設(shè)備廠商3 個方面進(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，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]。在晶圓鍵合過程中，晶圓的對準(zhǔn)精度以及鍵合溫度與壓力的控制對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、清洗以及對準(zhǔn)，然后根據(jù)不同需求采用不同方法對晶圓進(jìn)行鍵合，最后對鍵合好的晶圓進(jìn)行分析處理。其具體操作步驟為：①對蓋板與電路板進(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鍵合。2 片晶圓鍵合時，界面之間的原子在外力作用下反應(yīng)形成化學(xué)共價鍵并使鍵合界面達(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。而臨時鍵合就是在臨時載板或功能晶圓上通過壓合、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載板對準(zhǔn)后完成鍵合。臨時鍵合主要是為超薄晶圓提供足夠的機(jī)械支撐和保護(hù)，完成臨時鍵合后再對功能晶圓進(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、對準(zhǔn)模塊、鍵合模塊和冷卻模塊5 個組成部分，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200 mm的晶圓進(jìn)行設(shè)計的，其具有4 個載片盒承載臺，并配備了機(jī)械臂傳動裝置，設(shè)備內(nèi)部還可以通過超高效空氣過濾器（ULPA）對內(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 晶圓鍵合對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)與傳送機(jī)構(gòu)

在進(jìn)行晶圓鍵合的過程中，晶圓鍵合設(shè)備中的對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)和傳送機(jī)構(gòu)是其中最為重要的2 個部分。晶圓鍵合對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)是通過晶圓表面的對準(zhǔn)標(biāo)記將上下2 片晶圓進(jìn)行對準(zhǔn)，而晶圓鍵合傳送機(jī)構(gòu)是用來夾持對準(zhǔn)后的堆疊晶圓并將其傳送至鍵合腔體中，因此對晶圓鍵合對準(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。

2.1 晶圓鍵合對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)

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

圖2 常用的晶圓對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)[13]

在標(biāo)準(zhǔn)對準(zhǔn)工藝中，如果2 個標(biāo)記之間的距離較小，就會對晶圓對準(zhǔn)時產(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 個標(biāo)記之間的距離以提高晶圓的對準(zhǔn)精度。如果步進(jìn)光刻機(jī)的步進(jìn)距離設(shè)置不合理，則會在水平方向上產(chǎn)生最高0.1 μm 的偏移，那么晶圓就會產(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，在對準(zhǔn)的過程中，還有一些值得關(guān)注的問題。首先，在通過顯微鏡尋找第一片晶圓上的對準(zhǔn)標(biāo)記的過程中，顯微鏡不能超過傳送夾具兩側(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)的過程中，插入對準(zhǔn)夾具時需要避免刮傷襯底表面，同時還要使對準(zhǔn)臺沿X 軸和Y 軸方向移動或進(jìn)行θ 角度旋轉(zhuǎn)，以便于將2 片晶圓上的對準(zhǔn)標(biāo)記精確地對準(zhǔn)和套刻。最后，2 片晶圓完成對準(zhǔn)后，在通過墊片和卡箍放置的過程中，墊片和卡箍要處于晶圓的隔離區(qū)域，并適當(dāng)調(diào)整夾具以確保卡箍將2 片晶圓固定。同時，還要適當(dāng)調(diào)整對準(zhǔn)設(shè)備以確保對準(zhǔn)過程中的精度，這樣才能保證對準(zhǔn)臺能夠平穩(wěn)流暢地運(yùn)行。此外，對準(zhǔn)過程中還需要進(jìn)行楔形誤差補(bǔ)償（WEC），以保證2 片晶圓能夠完全地平行。

通常這些用于對準(zhǔn)的校準(zhǔn)晶圓表面都有對準(zhǔn)標(biāo)記和對準(zhǔn)游標(biāo)，可以重復(fù)使用，僅需通過顯微鏡進(jìn)行觀察便可完成套刻精度的檢測。若出現(xiàn)系統(tǒng)偏差，則需要通過設(shè)置偏移的方法對對準(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)者對晶圓鍵合對準(zhǔn)設(shè)備展開了研究。武春暉等[14]在高真空環(huán)境下對晶圓對準(zhǔn)視覺成像及數(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，相機(jī)的連續(xù)工作時間分別為95 min 和12 h，真空度越高，相機(jī)的連續(xù)工作時間越短。而當(dāng)真空度為4.3×10-3Pa 時，相機(jī)進(jìn)行間歇式工作（相機(jī)每隔10 min 運(yùn)行5 min），累計工作時間可達(dá)140 min，相機(jī)表面最高溫度僅為23 ℃。因此在進(jìn)行晶圓鍵合對準(zhǔn)過程中，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)在對準(zhǔn)過程中的可靠性。當(dāng)真空度為2.5×10-1Pa、波長為960～990 nm時，能夠獲得清晰標(biāo)識的圖像，且數(shù)據(jù)傳輸沒有問題（采用USB 2.0 接口）。然而，在晶圓鍵合對準(zhǔn)的過程中，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，顯著提高了對準(zhǔn)過程中上下2 片晶圓的偏差對準(zhǔn)精度，該晶圓鍵合對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)如圖4 所示，該設(shè)備能夠?qū)⒐烙嬚`差控制在10 nm 以內(nèi)，同時還能夠滿足高精度鍵合的全部要求，其計算效果和速率優(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，該晶圓標(biāo)記還可以通過多種方法不斷地優(yōu)化摩爾信號，從而通過調(diào)整疊加的數(shù)字光柵來獲得最佳的結(jié)果，且能同時計算3 個自由度的結(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)會導(dǎo)致圖像的效果較差，這些都需要在未來的研究中繼續(xù)改進(jìn)。

文獻(xiàn)[16]于2022 年提出了1 種晶圓鍵合對準(zhǔn)裝置，如圖5 所示?，F(xiàn)有的鍵合對準(zhǔn)裝置均采用圖像識別方式，需要在晶圓和載片上印制對位標(biāo)記，對準(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題。而該晶圓鍵合對準(zhǔn)設(shè)備操作簡單，通過控制旋柄使從動凸輪轉(zhuǎn)動，并將4 根滑柱向外頂推，使4 個托柱向外移動一定距離；然后將待鍵合載片放置在托件臺階上，控制4 個分離墊片向內(nèi)滑動一定距離，再將待鍵合晶圓放置在4 個分隔墊片上；然后通過控制旋柄將4 根滑柱錯開，并使其在回位彈簧的拉動下向內(nèi)回位，即可完成載片和晶圓的對準(zhǔn)。該晶圓鍵合設(shè)備僅通過從動凸輪的轉(zhuǎn)動、回位彈簧的回位以及隔離墊片的滑動，就能完成載片和晶圓的對準(zhǔn)，具有設(shè)備成本低和工作效率高的優(yōu)點(diǎn)。然而該晶圓鍵合對準(zhǔn)裝置的精度相對于光學(xué)對準(zhǔn)而言還是比較低的，因此在精度較高的晶圓鍵合過程中，仍需采用光學(xué)對準(zhǔn)。此外在光學(xué)對準(zhǔn)的過程中，對準(zhǔn)標(biāo)記的成像效果容易受到噪聲、光照、視覺傳感器以及光學(xué)鏡頭等因素的影響，導(dǎo)致對準(zhǔn)標(biāo)記的成像效果受到制約，因此未來需要對晶圓對準(zhǔn)標(biāo)記的識別算法展開全方位研究[17-20]。

圖5 晶圓鍵合對準(zhǔn)裝置結(jié)構(gòu)[16]

通過對以上3 種不同的晶圓對準(zhǔn)設(shè)備進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在晶圓鍵合對準(zhǔn)的過程中，會出現(xiàn)相機(jī)溫度過高、圖像質(zhì)量較差和對準(zhǔn)精度較低的問題，可以考慮使用散熱裝置對相機(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)

在晶圓鍵合的過程中，通常先通過對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)將2片晶圓對準(zhǔn)，然后再使用傳送夾具將對準(zhǔn)完成的晶圓傳送到鍵合腔中，其在晶圓傳送的過程中能夠起到固定上下2 片晶圓的作用，故傳送夾具對于晶圓的對準(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3 個方向來固定晶圓，這不僅是因為3 點(diǎn)可以確定1 個平面，而且還可以避免晶圓在夾持的過程中出現(xiàn)彎曲變形。在晶圓固定的過程中，需要保持夾具和晶圓在垂直方向上的對準(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對夾具的夾持力度、高度以及運(yùn)動方式的調(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，因此需定期對傳送夾具的性能進(jìn)行測試。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)動軌跡，還要保證其在移動的過程中不能劃傷晶圓的表面，因此對于對準(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程中，通常利用鍵合機(jī)中間的頂針對上層晶圓中心施加壓力，同時還能起到固定上下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，2 片晶圓的位置會發(fā)生移動和偏轉(zhuǎn)，從而對對準(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題，目前常用的是3 點(diǎn)固定式夾具，該夾具可以通過調(diào)整卡箍和隔離墊片的運(yùn)動過程實(shí)現(xiàn)卡箍和隔離墊片的分步移除。

許多學(xué)者對晶圓鍵合卡盤展開了研究。在晶圓吸附的過程中，存在晶圓鍵合位置不準(zhǔn)的問題，為了解決這一問題，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)域的多個感應(yīng)器可以通過接收的反射信號來確定待鍵合晶圓的位置，幫助裝載頂針對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)移晶圓的過程中，空氣會通過邊緣進(jìn)入真空載具導(dǎo)致晶圓無法被可靠地吸附。為了解決這一問題，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程中，通過真空吸盤主體上的吸附體抽氣孔抽真空，同時吸附晶圓的翹曲部位并帶動翹曲部位朝其反方向移動，再通過吸附體對晶圓施加外力，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，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，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 對晶圓進(jìn)行鍵合，當(dāng)進(jìn)行多對晶圓鍵合時，存在鍵合時間長和工作效率低等缺點(diǎn)，為了能夠快速進(jìn)行多對晶圓的鍵合，文獻(xiàn)[23]提出了1 種堆疊式多對晶圓鍵合裝置，如圖9所示。在使用該晶圓鍵合裝置的過程中，先將最下方的卡盤反面朝上放入對準(zhǔn)機(jī)臺中，將第一片晶圓與卡盤對準(zhǔn)結(jié)合，并將第二片晶圓與第一片晶圓對準(zhǔn)結(jié)合，通過間隔片和卡鎖將對準(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固定在卡盤上，然后將相鄰2 個卡盤之間接入彈簧，便可繼續(xù)完成后續(xù)鍵合工藝。該裝置能夠減小晶圓級鍵合的成本，極大程度提高多對晶圓的鍵合效率。然而，該設(shè)備由于同時對多對晶圓進(jìn)行鍵合，相較于單對晶圓鍵合設(shè)備要占據(jù)更多的空間，因此很難配備精度相對較高的光學(xué)對準(zhǔn)模塊。未來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)對準(zhǔn)模塊，在保證對準(zhǔn)精度的前提下對多對晶圓同時進(jìn)行鍵合。

圖9 堆疊式多對晶圓鍵合裝置結(jié)構(gòu)示意圖[23]

在進(jìn)行晶圓吸附的過程中，存在晶圓位置不能單獨(dú)控制的問題，為了解決這一問題，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 個真空吸附區(qū)旋轉(zhuǎn)45°，即第一徑向為45°和225°的方向，第二徑向為135°和315°的方向；三是在控制方式一的基礎(chǔ)上，2 個徑向由垂直改為呈1 個銳角。通過上述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，存在補(bǔ)償效果不佳和對準(zhǔn)精度不高的問題，為了解決這些問題，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 個吸附區(qū)域，每個吸附區(qū)域至少與1 個真空管路連接。而控制器與K 個真空管路連接，通過真空管路從吸附區(qū)域分別控制第一卡盤和第二卡盤對第一鍵合晶圓對中對應(yīng)晶圓的吸附時長和吸附力大小，實(shí)現(xiàn)待鍵合晶圓對的多個不同方向的縮放補(bǔ)償，其能夠較好地滿足不對稱鍵合對準(zhǔn)標(biāo)記的形變糾正需求，能大大提高補(bǔ)償效果，并提高對準(zhǔn)時的對準(zhǔn)精度，從而提高晶圓鍵合的可靠性。然而，其中的K 個真空管路和N 個吸附區(qū)域需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行確定，同時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)對晶圓鍵合位置對準(zhǔn)、晶圓吸附、多對晶圓鍵合、晶圓位置控制和對準(zhǔn)精度等問題進(jìn)行了改善。由于對準(zhǔn)規(guī)范要求的日益嚴(yán)苛以及夾具在對準(zhǔn)過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)置和測試的，在測試過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，晶圓鍵合過程中經(jīng)常會出現(xiàn)熱膨脹的問題，因此通常采用與硅的熱膨脹系數(shù)相匹配的材料來制作夾具。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，由晶圓與夾具引發(fā)的熱膨脹變形而產(chǎn)生的剪切應(yīng)力對鍵合的影響會小很多。未來晶圓鍵合也可以采用靜電吸附技術(shù)，使用靜電吸盤來代替現(xiàn)有的鍵合夾具（卡箍和隔離墊片），但是由于鍵合過程中存在熱膨脹的問題，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

國際晶圓鍵合市場已經(jīng)較為成熟，其中奧地利、德國和英國等發(fā)達(dá)國家有豐富的晶圓鍵合設(shè)備產(chǎn)線，而我國市場還處于發(fā)展階段，隨著中國半導(dǎo)體行業(yè)的快速發(fā)展，未來我國將成為晶圓鍵合設(shè)備消費(fèi)的主力。目前國際主流的晶圓鍵合設(shè)備廠商有奧地利EVG公司、德國SUSS MicroTec 公司、英國AML 公司以及日本的Ayumi Industry 公司，而國內(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、陽極鍵合、膠鍵合和臨時膠鍵合等，可以提供半自動晶圓鍵合系統(tǒng)（如EVG501、EVG510 和EVG520 IS）以及全自動鍵合系統(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SUSS MicroTec 公司同樣可以提供自動晶圓鍵合機(jī)（XBS200 和XBS300）以及半自動晶圓鍵合機(jī)（SB6/8 Gen2 和XB8）。其半自動鍵合機(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AML 公司作為英國最大的晶圓鍵合設(shè)備制造商，其AWB04&08 平臺可用于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，原位對準(zhǔn)精度可達(dá)1 μm，可適用于陽極鍵合、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準(zhǔn)需求，其采用了面對面的對準(zhǔn)方式，對準(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、共晶鍵合和陽極鍵合等工藝。

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

在晶圓對準(zhǔn)的過程中，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保持晶圓位置的對準(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)先加載一個鍵合力。而SUSS SB6/8 Gen2 晶圓鍵合機(jī)在有無中心銷的情況下均能鍵合，在無中心銷鍵合的過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)到良好的鍵合對準(zhǔn)效果。而在有中心銷鍵合的過程中，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)熱膨脹后的良好對準(zhǔn)。在晶圓傳送的過程中，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)鍵合多個晶圓，最大限度地提高整個系統(tǒng)的效率。

4 總結(jié)與展望

本文對晶圓鍵合工藝、晶圓鍵合設(shè)備以及其中的對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)和傳送卡盤進(jìn)行了綜述。目前，業(yè)界已針對晶圓鍵合對準(zhǔn)機(jī)構(gòu)的成像效果與傳輸速率、晶圓快速對準(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、多對晶圓鍵合卡盤、不同方向真空吸附的獨(dú)立控制和卡盤對準(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準(zhǔn)機(jī)構(gòu)的相機(jī)工作效率低、圖像效果差和對準(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題。如今，高端晶圓鍵合設(shè)備正面臨“卡脖子”的風(fēng)險，針對晶圓鍵合設(shè)備對準(zhǔn)和傳送機(jī)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)研究與設(shè)備國產(chǎn)化是未來發(fā)展的重點(diǎn)。