晶圆键合装置、晶圆键合过程的检测方法

摘要

本发明提供了一种晶圆键合装置和晶圆键合过程的检测方法。该晶圆键合装置包括：第一卡盘，适于保持第一晶圆；第二卡盘，适于保持第二晶圆，并与第一卡盘相对设置；至少一个衍射模块，衍射模块包括：电磁波投射单元，适于将电磁波投射至第一晶圆和第二晶圆之间形成的缝隙；以及图像采集单元，适于接收穿过缝隙的电磁波，以生成包含衍射图案的图像信号；以及解析模块，适于根据图像信号确定第一晶圆和第二晶圆的相对位置。本发明的晶圆键合装置和晶圆键合过程的检测方法能够对晶圆键合过程进行检测。

说明书

技术领域

本发明主要涉及半导体制造，尤其涉及一种晶圆键合装置和晶圆键合过程的检测方法。

背景技术

随着电子产业的发展，晶圆键合工艺可以实现器件更高层数的堆叠，因而引起越来越多的关注。但由于晶圆键合装置发展历史较短，相较其他半导体设备仍有很多不足的地方，因此晶圆键合装置的发展对未来半导体产业的影响越来越大。

目前，晶圆键合过程具体如何，需要由有经验的工程师对整个晶圆键合过程相关参数的设定的理解来得到。但随着晶圆键合工艺越来越复杂，工程师的经验判断并不可靠，因此亟需能够检测晶圆键合过程的装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种晶圆键合装置和晶圆键合过程的检测方法，其能够对晶圆键合过程进行检测。

为解决上述技术问题，本发明的一方面提供了一种晶圆键合装置，包括：第一卡盘，适于保持第一晶圆；第二卡盘，适于保持第二晶圆，并与所述第一卡盘相对设置；至少一个衍射模块，所述衍射模块包括：电磁波投射单元，适于将电磁波投射至所述第一晶圆和所述第二晶圆之间形成的缝隙；以及图像采集单元，适于接收穿过所述缝隙的所述电磁波，以生成包含衍射图案的图像信号；以及解析模块，适于根据所述图像信号确定所述第一晶圆和所述第二晶圆的相对位置。

在本发明的一实施例中，所述解析模块适于根据所述图像信号确定所述第一晶圆和所述第二晶圆对应位置在第一方向上的距离，所述第一方向为垂直于所述第一卡盘保持所述第一晶圆的表面和/或所述第二卡盘保持所述第二晶圆的表面的方向。

在本发明的一实施例中，所述解析模块适于根据所述图像信号确定所述第一晶圆和所述第二晶圆已键合的宽度。

在本发明的一实施例中，所述解析模块适于根据所述图像信号确定所述第一晶圆和所述第二晶圆在第二方向上的偏移，所述第二方向为平行于所述第一卡盘保持所述第一晶圆的表面和/或所述第二卡盘保持所述第二晶圆的表面的方向。

在本发明的一实施例中，所述第一卡盘包括多个第一凹槽，所述电磁波投射单元和所述图像采集单元设置于相对的两个所述第一凹槽内。

在本发明的一实施例中，所述第二卡盘包括多个第二凹槽，所述电磁波投射单元和所述图像采集单元设置于相对的两个所述第二凹槽内。

在本发明的一实施例中，所述电磁波投射单元投射的所述电磁波为光波。

在本发明的一实施例中，所述电磁波投射单元包括光源和第一透镜，所述光源发出的光经所述第一透镜变换后，形成平行光。

在本发明的一实施例中，所述光源为相干光光源。

在本发明的一实施例中，所述电磁波投射单元投射的光波为矩形光束，所述矩形光束与所述第一卡盘保持所述第一晶圆的表面和/或所述第二卡盘保持所述第二晶圆的表面平行的边大于或等于所述第一晶圆和/或所述第二晶圆的直径。

在本发明的一实施例中，所述图像采集单元包括第二透镜和图像传感器，穿过所述缝隙的光波经所述第二透镜变换后，在所述图像传感器上形成所述衍射图案，所述图像传感器将所述衍射图案转换成电信号，以生成所述图像信号。

在本发明的一实施例中，所述图像传感器设置于所述第二透镜的焦平面。

在本发明的一实施例中，所述电磁波投射单元投射的所述电磁波的传播方向平行于所述第一卡盘保持所述第一晶圆的表面和/或所述第二卡盘保持所述第二晶圆的表面。

在本发明的一实施例中，所述晶圆键合装置包括正交设置的两个所述衍射模块。

在本发明的一实施例中，所述晶圆键合装置适于在多个时间点确定所述第一晶圆和所述第二晶圆的相对位置。

本发明的另一方面提供了一种晶圆键合过程的检测方法，适于检测第一晶圆和第二晶圆的键合过程，所述检测方法包括：获取电磁波投射至所述第一晶圆和所述第二晶圆之间形成的缝隙所形成的衍射图案；根据所述衍射图案确定所述第一晶圆和所述第二晶圆的相对位置。

在本发明的一实施例中，根据所述衍射图案确定所述第一晶圆和所述第二晶圆的相对位置包括：根据所述衍射图案确定所述第一晶圆和所述第二晶圆对应位置在第一方向上的距离，所述第一方向为垂直于第一卡盘保持所述第一晶圆的表面和/或第二卡盘保持所述第二晶圆的表面的方向。

在本发明的一实施例中，根据所述衍射图案确定所述第一晶圆和所述第二晶圆的相对位置包括：根据所述衍射图案确定所述第一晶圆和所述第二晶圆已键合的宽度。

在本发明的一实施例中，根据所述衍射图案确定所述第一晶圆和所述第二晶圆的相对位置包括：根据所述衍射图案确定所述第一晶圆和所述第二晶圆在第二方向上的偏移，所述第二方向为平行于第一卡盘保持所述第一晶圆的表面和/或第二卡盘保持所述第二晶圆的表面的方向。

在本发明的一实施例中，所述衍射图案包括所述电磁波沿第三方向和第四方向投射至所述第一晶圆和所述第二晶圆之间形成的缝隙所形成的衍射图案，所述第三方向和所述第四方向正交，并且均平行于第一卡盘保持所述第一晶圆的表面和/或第二卡盘保持所述第二晶圆的表面的方向。

在本发明的一实施例中，所述检测方法在多个时间点获取所述衍射图案，并根据不同时间点获取的所述衍射图案分别确定所述第一晶圆和所述第二晶圆的相对位置。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明的晶圆键合装置和晶圆键合过程的检测方法，朝第一晶圆和第二晶圆形成的缝隙投射可以发生衍射的电磁波，采集形成的衍射图案，并对该衍射图案进行分析，可以得到第一晶圆和第二晶圆的相对位置。另外，本发明的晶圆键合装置和晶圆键合过程的检测方法，还可以在键合过程中的多个时间点检测第一晶圆和第二晶圆的相对位置，可以得到晶圆键合的动态过程。

附图说明

图1a-图1d是晶圆键合过程的一些示意图。

图2是本发明一些实施例的晶圆键合装置的三维示意图。

图3是本发明一些实施例的晶圆键合装置沿A-A线的剖面示意图。

图4是本发明一些实施例的晶圆键合装置的第二卡盘和衍射模块的示意图。

图5是本发明一些实施例的电磁波投射单元的示意图。

图6是本发明一些实施例的图像采集单元的示意图。

图7是本发明一些实施例的单缝衍射的示意图。

图8a是本发明一实施例的晶圆键合装置的状态示意图。

图8b是本发明一实施例的晶圆键合装置在图8a所示的状态下的衍射图案的示意图。

图8c是图8b所示的衍射图案中在B-B线的强度示意图。

图9a是本发明一实施例的晶圆键合装置的状态示意图。

图9b是本发明一实施例的晶圆键合装置在图9a所示的状态下的衍射图案的示意图。

图10是本发明一些实施例的晶圆键合过程的检测方法的流程示意图。

具体实施方式

为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其它不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

在此，“约”、“大约”、“实质上”的用语通常表示在一给定值或范围的20％内，较佳是10％内，更佳是5％内，或3％之内，或2％之内，或1％之内，或0.5％之内。在此给定的数量为大约的数量，亦即在没有特定说明“约”、“大约”、“实质上”的情况下，仍可隐含“约”、“大约”、“实质上”的含义。

除非另外定义，在此使用的全部用语(包含技术及科学用语)具有与本发明所属技术领域的技术人员通常理解的相同涵义。能理解的是，这些用语例如在通常使用的字典中定义用语，应被解读成具有与相关技术及本发明的背景或上下文一致的意思，而不应以一理想化或过度正式的方式解读，除非在本发明实施例有特别定义。

目前，晶圆键合过程具体如何，需要由有经验的工程师对整个晶圆键合过程相关参数的设定的理解来得到。举例来说，第一晶圆10和第二晶圆20在内圈键合了多少(如图1a所示)，第一晶圆10和第二晶圆20中圈键合到了哪里(如图1b所示)，第一晶圆10和第二晶圆20对应位置间的距离是多少(如图1c所示)，第一晶圆10和第二晶圆20的中心是否对准(如图1d所示)，这些都需要由有经验的工程师对整个晶圆键合过程相关参数的设定的理解来得到。

本发明提出了一种利用电磁波投射至键合的两个晶圆形成的狭缝所形成的衍射图案，来对晶圆键合过程进行检测。

图2是本发明一些实施例的晶圆键合装置的三维示意图。图3是本发明一些实施例的晶圆键合装置沿A-A线的剖面示意图。图4是本发明一些实施例的晶圆键合装置的第二卡盘和衍射模块的示意图。需要说明的是，图2和图3中未示出衍射模块和解析模块，图4中未示出第一卡盘。结合参考图2、图3和图4所示，晶圆键合装置100包括第一卡盘110、第二卡盘120、衍射模块130和解析模块140。

第一卡盘110和第二卡盘120相对设置，并可以相向运动，以带动第一晶圆10和第二晶圆20相向运动，实现晶圆键合。在一可选的实施例中，第一卡盘110可以是固定的，第二卡盘120可以朝向第一卡盘110运动。在一可选的实施例中，第二卡盘120可以是固定的，第一卡盘110可以朝向第二卡盘120运动。在一可选的实施例中，第一卡盘110和第二卡盘120均可以朝向对方运动。

第一卡盘110可以用于保持(hold)第一晶圆10。在一些实施例中，第一卡盘110可以是负压型、静电型的卡盘。具体来说，负压型的第一卡盘110可以通过对第一晶圆10施加负压，使第一晶圆10朝向第一卡盘110的一面的压力小于第一晶圆10另一面所承受的大气压力，从而将第一晶圆10吸附于第一卡盘110上。在一些实施例中，在键合过程中，第一卡盘110还可以对第一晶圆10的一个或多个区域(例如中央区域)施加正压，以使第一晶圆10被施加正压的区域向外凸出，以便于实现键合。

第二卡盘120可以用于保持第二晶圆20。在一些实施例中，第二卡盘120可以是负压型、静电型的卡盘。具体来说，负压型的第二卡盘120可以通过对第二晶圆20施加负压，使第二晶圆20朝向第二卡盘120的一面的压力小于第二晶圆20另一面所承受的大气压力，从而将第二晶圆20吸附于第二卡盘120上。在一些实施例中，在键合过程中，第二卡盘120还可以对第二晶圆20的一个或多个区域(例如中央区域)施加正压，以使第二晶圆20被施加正压的区域向外凸出，以便于实现键合。一般而言，第一晶圆10的凸出区域和第二晶圆20的凸出区域是对应设置的。也就是说，在键合过程中，第一晶圆10的凸出区域和第二晶圆20的凸出区域是最先相互接触的。

衍射模块130可以朝第一晶圆10和第二晶圆20形成的缝隙30投射可以发生衍射的电磁波，并采集形成的衍射图案。具体来说，衍射模块130可以包括电磁波投射单元131和图像采集单元132。电磁波投射单元131可以将电磁波投射至第一晶圆10和第二晶圆20之间形成的缝隙30。图像采集单元132可以接收穿过缝隙30的电磁波，生成包含衍射图案的图像信号。在一些实施例中，电磁波投射单元131投射的电磁波的传播方向可以与第一卡盘110保持第一晶圆10的表面和/或第二卡盘120保持第二晶圆20的表面平行，以降低传播路径的阻碍，利于图像采集单元132接收穿过缝隙30的电磁波。可以理解，为了良好地实现衍射，电磁波的波长需要大于缝隙30的宽度。优选地，电磁波的波长可以为缝隙30的宽度的两倍以上。

在一些实施例中，电磁波投射单元131所投射的电磁波可以是光波。该光波例如可以为红外光、可见光、紫外光，优选地为红外光。

图5是本发明一些实施例的电磁波投射单元的示意图。参考图5所示，电磁波投射单元131可以包括光源131a和第一透镜131b。光源131a发出的光经第一透镜131b变换后，形成平行光，再投射至缝隙30。优选地，光源131a可以为相干光光源，例如激光光源。第一透镜131b可以是任意形式的透镜或透镜组，例如凹透镜、凸透镜、平凸镜、平凹镜等，或其任意组合。

在一些实施例中，电磁波投射单元131投射的光波可以是矩形光束。优选地，该矩形光束具有与第一卡盘110保持第一晶圆10的表面和/或第二卡盘120保持第二晶圆20的表面平行的边，该边优选地大于或等于第一晶圆10和/或第二晶圆20的直径，以使该矩形光束可以完整地覆盖缝隙30。

图6是本发明一些实施例的图像采集单元的示意图。参考图6所示，图像采集单元132可以包括第二透镜132a和图像传感器132b。穿过缝隙30的光波经第二透镜132a变换后，在图像传感器132b上形成衍射图案。图像传感器132b将衍射图案转换为电信号，以生成图像信号。第二透镜132a可以是任意形式的透镜或透镜组，例如凹透镜、凸透镜、平凸镜、平凹镜等，或其任意组合。图像传感器132b可以为感光耦合元件(charge-coupled device,CCD)、互补式金属氧化物半导体有源像素传感器(CMOS Active pixel sensor)等。优选地，图像传感器132b可以设置于第二透镜132a的焦平面处。

继续参考图2、图3和图4所示，第一卡盘110可以包括多个第一凹槽110a。一个衍射模块130包含的电磁波投射单元131和图像采集单元132可以设置在相对的两个第一凹槽110a内。类似地，第二卡盘120可以包括多个第二凹槽120a。一个衍射模块130包含的电磁波投射单元131和图像采集单元132可以设置在相对的两个第二凹槽120a内。需要说明的是，第一凹槽110a和第二凹槽120a是相对设置的。由于将电磁波投射单元131和图像采集单元132设置在第一凹槽110a和第二凹槽120a内，当对第一晶圆10和第二晶圆20实施晶圆键合时，电磁波投射单元131和图像采集单元132不会妨碍第一卡盘110和第二卡盘120的相向运动。

虽然在图2、图3和图4所示的实施例中，晶圆键合装置100包括两个正交设置的衍射模块130，但可以理解，晶圆键合装置100可以包括一个衍射模块130，或两个以上的衍射模块130，本发明对此并不加以限制。

解析模块140可以根据图像采集单元132生成的图像信号确定第一晶圆10和第二晶圆20的相对位置。

在一些实施例中，解析模块140可以根据图像信号确定第一晶圆10和第二晶圆20对应位置在第一方向D1上的距离，也就是狭缝30在该位置处的宽度。其中，第一方向D1为垂直于第一卡盘110保持所述第一晶圆10的表面和/或第二卡盘120保持第二晶圆20的表面的方向。

图7是本发明一些实施例的单缝衍射的示意图。结合参考图6和图7所示，电磁波入射到狭缝30时，会发生衍射，经过第二透镜132a变换后，在图像传感器132b上形成明暗相间的条纹，也就是衍射图案。假设狭缝30的宽度为a，第二透镜132a和图像传感器132b之间的距离为f，电磁波的波长为λ，第k级暗条纹中心p与零级两条纹中心O的距离为：

第k级亮条纹中心p与零级两条纹中心O的距离为：

其中，k＝±1，±2，…。由式(1)和/或式(2)即可反推得到狭缝30的宽度a，即可以根据衍射图案确定出狭缝30的宽度a，也就是确定出第一晶圆10和第二晶圆20对应位置在第一方向D1上的距离。

图8a是本发明一实施例的晶圆键合装置的状态示意图。图8b是本发明一实施例的晶圆键合装置在图8a所示的状态下的衍射图案的示意图。图8c是图8b所示的衍射图案中在B-B线的强度示意图。结合参考图8a、图8b和图8c所示，电磁波投射至第一晶圆10和第二晶圆20形成的狭缝30后，图像传感器132b可以获得如图8b所示的衍射图案。需要说明的是，图8b所示的衍射图案是示意性的，其并未示出条纹的强度(即亮暗程度)和宽度。在图8b所示的衍射图案的B-B线处，具有如图8c所示的强度，在中间位置具有宽度较大且强度最高的零级亮条纹，在零级两条纹的两侧分别具有宽度较小且亮度较弱的次级亮条纹，另个两条纹之间具有暗条纹。

在解析模块140获取到例如图8b所示的衍射图案后，对该衍射图案进行分析，即可以得到第k级暗条纹中心p与零级两条纹中心O的距离x，代入式(1)即可计算出狭缝30的宽度，也就是可以确定出第一晶圆10和第二晶圆20对应位置在第一方向D1上的距离d1。

在一些实施例中，解析模块140可以根据图像信号确定第一晶圆10和第二晶圆20已键合的宽度。

图9a是本发明一实施例的晶圆键合装置的状态示意图。图9b是本发明一实施例的晶圆键合装置在图9a所示的状态下的衍射图案的示意图。结合参考图9a和图9b所示，电磁波投射至第一晶圆10和第二晶圆20形成的狭缝30后，图像传感器132b可以获得如图9b所示的衍射图案。由于第一晶圆10和第二晶圆20已经有部分区域已经键合，在已键合的部分，电磁波无法穿透，因此，衍射图案具有一个或多个暗块。需要说明的是，图9b所示的衍射图案是示意性的，其并未示出条纹的强度(即亮暗程度)和宽度。

在解析模块140获取到例如图9b所示的衍射图案后，对该衍射图案进行分析，可以得到暗块在狭缝30方向上的宽度d3。根据投影关系，解析模块140可以由宽度d3推算得到第一晶圆10和第二晶圆20已键合的宽度d2。在一些实施例中，若第一晶圆10和第二晶圆20是由中心位置开始键合，在计算出已键合的宽度d2后，根据第一晶圆10和第二晶圆20的直径和已键合的宽度d2，既可以计算出还未键合的宽度有多少。

可以理解的，对于第一晶圆10和第二晶圆20未键合的区域，仍然具有狭缝30。可以通过对穿过狭缝30的电磁波形成的衍射图案进行分析得到狭缝30的宽度。

在一些实施例中，解析模块140可以根据图像信号确定第一晶圆10和第二晶圆20在第二方向D2上的偏移。其中，第二方向D2为平行于第一卡盘保持第一晶圆10的表面和/或第二卡盘120保持第二晶圆20的表面的方向。具体来说，参考图1d，当第一晶圆10和第二晶圆20存在第二方向上的偏移时，第一晶圆10和第二晶圆20的中心未对准，狭缝30具有不对称的弯折。相应地，电磁波入射到狭缝30，形成的衍射图案也具有不对称的弯折。解析模块140可以对衍射图案中不对称的弯折进行分析，可以得到第一晶圆10和第二晶圆20在第二方向D2上的偏移。

在一些实施例中，晶圆键合装置100可以在多个时间点确定第一晶圆10和第二晶圆20的相对位置。在晶圆键合过程中，通过晶圆键合装置100在多个时间点确定的第一晶圆10和第二晶圆20的相对位置，即可以得到晶圆键合的动态过程。

图10是本发明一些实施例的晶圆键合过程的检测方法的流程示意图。参考图10所示，晶圆键合过程的检测方法200可以检测第一晶圆和第二晶圆的键合过程，其包括：

步骤210：获取电磁波投射至第一晶圆和第二晶圆之间形成的缝隙所形成的衍射图案；

步骤220：根据衍射图案确定第一晶圆和第二晶圆的相对位置。

在一些实施例中，步骤220可以包括：根据衍射图案确定第一晶圆和第二晶圆对应位置在第一方向上的距离，第一方向为垂直于第一卡盘保持第一晶圆的表面和/或第二卡盘保持第二晶圆的表面的方向。

在一些实施例中，步骤220可以包括：根据衍射图案确定第一晶圆和第二晶圆已键合的宽度。

在一些实施例中，步骤220可以包括：根据衍射图案确定第一晶圆和第二晶圆在第二方向上的偏移，第二方向为平行于第一卡盘保持第一晶圆的表面和/或第二卡盘保持第二晶圆的表面的方向。

在一些实施例中，衍射图案可以包括电磁波沿第三方向和第四方向投射至第一晶圆和第二晶圆之间形成的缝隙所形成的衍射图案，第三方向和第四方向正交，并且均平行于第一卡盘保持第一晶圆的表面和/或第二卡盘保持第二晶圆的表面的方向。

在一些实施例中，晶圆键合过程的检测方法200在多个时间点获取衍射图案，并根据不同时间点获取的衍射图案分别确定第一晶圆和第二晶圆的相对位置。

虽然本发明已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，在没有脱离本发明精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本发明的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。