一种用于晶圆键合的顶针机构的制作方法

1.本发明涉及半导体设备，尤其涉及用于晶圆键合的顶针机构。


背景技术：

2.随着半导体技术的不断发展，晶圆键合得到了广泛的应用。在键合过程中，上卡盘中部由顶针向上晶圆施加压力，上晶圆形变过程中，键合波从晶圆中心向边缘移动，进而由中心至边缘依次释放上晶圆的吸附真空，使得两晶圆在键合波作用下完成键合。
3.晶圆键合过程将影响晶圆对准精度、晶圆键合强度等指标，进一步影响以后产品的可靠性指标。其中，在顶针下压过程中，晶圆向下移动不顺畅或者移动偏心时，会导致两片晶圆微滑片或者晶圆畸形，从而影响晶圆键合的质量。
4.顶针机构是实现晶圆键合工艺的关键部件。当前主流的顶针机构存在结构冗余、可靠性差、下压监控手段单一等问题。
5.基于此，亟需一种结构精简的顶针机构，可同时通过位移及压力传感器监控顶针下压过程，提高晶圆键合的质量。


技术实现要素：

6.为了克服现有技术的缺陷，提高晶圆键合的质量，本发明提供了一种用于晶圆键合的顶针机构。
7.所述顶针机构包括：下压顶针、导向滑块、位移传感器、柔性连接结构、下压－提升气缸、压力传感器及顶针座。
8.该下压－提升气缸用于下压或提升该下压顶针；
9.该下压顶针与该下压－提升气缸之间通过该柔性连接结构连接；
10.该导向滑块的导轨安装在该顶针座上，该导向滑块固定在该下压顶针的侧面；
11.该压力传感器固定于该顶针座，用于监测该下压－提升气缸的竖直方向的压力；
12.该位移传感器固定于该顶针座，用于监测该下压顶针的位移。
13.在一个实施例中，该顶针座为一倒l型基座，该倒l型基座包括侧部与水平部，该侧部与该水平部垂直连接。
14.在一个实施例中，该导向滑块的导轨设置在该侧部上，该导向滑块延该导轨上下滑动，确保该下压顶针的每次下压点是一样的。
15.在一个实施例中，该压力传感器固定在该下压－提升气缸的顶部与该水平部之间。
16.在一个实施例中，该位移传感器和该导轨的安装位置延该下压顶针的左右侧分布在该顶针座上。
17.在一个实施例中，该柔性连接结构与该下压顶针的顶部固定连接，该柔性连接结构的内部空间能容纳该下压－提升气缸的活塞法兰头，该柔性连接结构的内壁与该活塞法兰头表面具有一定间隔空间。
18.在一个实施例中，该柔性连接结构的上部为内凸结构，当该下压－提升气缸提升时，该下压－提升气缸的活塞法兰头与该内凸结构互相卡住以带动该下压顶针向上提升。
19.在一个实施例中，该内凸结构的内径小于该活塞法兰头的外径。
20.在一个实施例中，该下压－提升气缸的活塞法兰头安装在该柔性连接结构内部，该活塞法兰头的底部为弧面，当该下压－提升气缸下压时，该弧面的中心点与该柔性连接结构点接触，通过该点接触向下施力来下压下压顶针。
21.在一个实施例中，该下压顶针向下运动对晶圆施加作用力，以用于晶圆键合。
22.本发明的顶针机构具有以下特点：下压顶针与气缸采用柔性连接结构；下压顶针提升与下压通过同一个气缸实现；下压顶针带导向滑块；顶针机构具有位移、压力双监控传感器，且位移传感器外置。上述结构使得晶圆键合的顶针下压过程得到实时监控，并且降低了装配难度，并能保持下压点的精确度，使得晶圆键合的质量得以大幅提升。
附图说明
23.本发明的以上发明内容以及下面的具体实施方式在结合附图阅读时会得到更好的理解。需要说明的是，附图仅作为所请求保护的发明的示例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的元素。
24.图1示出现有技术的用于晶圆键合的顶针机构；
25.图2示出根据本发明一实施例的用于晶圆键合的顶针机构示意图；
26.图3示出根据本发明一实施例的柔性连接结构与下压顶针的连接示意图；
27.图4示出根据本发明一实施例的用于晶圆键合的顶针机构的正视图。
具体实施方式
28.以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。虽然本发明的描述将结合优选实施例一起介绍，但这并不代表此发明的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作发明介绍的目的是为了覆盖基于本发明的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本发明的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本发明也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本发明的重点，有些具体细节将在描述中被省略。
29.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
30.另外，在以下的说明中所使用的“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“水平”、“垂直”应被理解为该段以及相关附图中所绘示的方位。此相对性的用语仅是为了方便说明之用，其并不代表其所叙述的装置需以特定方位来制造或运作，因此不应理解为对本发明的限制。
31.能理解的是，虽然在此可使用用语“第一”、“第二”、“第三”等来叙述各种管道、通道、组件、区域、层和/或部分，这些组件、区域、层和/或部分不应被这些用语限定，且这些用
语仅是用来区别不同的管道、通道、组件、区域、层和/或部分。
32.以下在具体实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使任何本领域技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的说明书、权利要求及附图，本领域技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。
33.图1示出现有技术的用于晶圆键合的顶针机构。如图1所示，该顶针机构包括下压顶针101、下压气缸102、提升气缸103。下压气缸102带动下压顶针101向下运动，提升气缸103将下压顶针101向上提起。下压顶针101向下运动，以便对晶圆104施力。
34.然而，上述图1的顶针机构的结构存在不少弊端。
35.首先，由于下压顶针101向下运动对晶圆104施加作用力的过程中，晶圆104的形变及作用力无法监控，导致产生如下风险：其一，下压顶针101向下移动不够顺畅，在指定时间内作用力未施加在晶圆104表面；其二，下压顶针101向下顶的过程中，下压顶针101移动偏心，导致作用在晶圆104表面的力不均匀。若下压顶针101向下移动不顺畅或者移动偏心时，晶圆键合会导致两片晶圆微滑片或者晶圆畸变，从而影响晶圆键合质量。
36.其次，图1中的提升气缸和下压气缸占据较大空间，导致顶针机构的结构不够精简、体积庞大。
37.基于此，本发明提供了一种新型的顶针机构，可同时通过位移及压力传感器监控顶针下压过程，提高晶圆键合的质量。
38.所述顶针机构包括：下压顶针、导向滑块、位移传感器、柔性连接结构、下压－提升气缸、压力传感器及顶针座。
39.该下压－提升气缸用于下压或提升该下压顶针；
40.该下压顶针与该下压－提升气缸之间通过该柔性连接结构连接；
41.该导向滑块的导轨安装在该顶针座上，该导向滑块固定在该下压顶针的侧面；
42.该压力传感器固定于该顶针座，用于监测该下压－提升气缸的竖直方向的压力；
43.该位移传感器固定于该顶针座，用于监测该下压顶针的位移。
44.在一个实施例中，该顶针座为一倒l型基座，该倒l型基座包括侧部与水平部，该侧部与该水平部垂直连接。
45.在一个实施例中，该导向滑块的导轨设置在该侧部上，该导向滑块延该导轨上下滑动，确保该下压顶针的每次下压点是一样的。
46.在一个实施例中，该压力传感器固定在该下压－提升气缸的顶部与该水平部之间。
47.在一个实施例中，该位移传感器和该导轨的安装位置延该下压顶针的左右侧分布在该顶针座上。
48.在一个实施例中，该柔性连接结构与该下压顶针的顶部固定连接，该柔性连接结构的内部空间能容纳该下压－提升气缸的活塞法兰头，该柔性连接结构的内壁与该活塞法兰头表面具有一定间隔空间。
49.在一个实施例中，该柔性连接结构的上部为内凸结构，当该下压－提升气缸提升时，该下压－提升气缸的活塞法兰头与该内凸结构互相卡住以带动该下压顶针向上提升。
50.在一个实施例中，该内凸结构的内径小于该活塞法兰头的外径。
51.在一个实施例中，该下压－提升气缸的活塞法兰头安装在该柔性连接结构内部，
该活塞法兰头的底部为弧面，当该下压－提升气缸下压时，该弧面的中心点与该柔性连接结构点接触，通过该点接触向下施力来下压下压顶针。
52.在一个实施例中，该下压顶针向下运动对晶圆施加作用力，以用于晶圆键合。
53.图2示出根据本发明一实施例的用于晶圆键合的顶针机构示意图。如图2所示，该顶针机构包括，但不限于，下压顶针201、导向滑块202、位移传感器203、柔性连接结构204、下压－提升气缸205、压力传感器206、顶针座。在本发明中，下压顶针201的提升和下压通过同一个气缸，即下压－提升气缸205，来实现。
54.下压顶针201向下运动对晶圆207施加作用力，用于晶圆键合。
55.下压－提升气缸205用于下压或提升顶针201。下压顶针201与下压－提升气缸205之间通过柔性连接结构204连接。
56.顶针座为一倒l型基座。该倒l型基座包括侧部208与水平部209。导向滑块202的导轨安装在侧部208上，导向滑块202延导轨上下滑动，导向滑块202固定在下压顶针201的侧面。导向滑块202确保下压顶针每次下压点是一样的。
57.压力传感器206固定在下压－提升气缸205与水平部209之间。压力传感器206用于监测下压－提升气缸205竖直方向的压力。
58.位移传感器203固定在侧部208上，用于监测下压顶针201的位移。
59.位移传感器203和导向滑块202的导轨的安装位置延下压顶针的左右侧分布在该顶针座上(参见图4)。
60.图3示出根据本发明一实施例的柔性连接结构与下压顶针的连接示意图。如图3所示，柔性连接结构204与下压顶针201的顶部固定连接。
61.在一个实施例中，柔性连接结构204内部空间能容纳下压－提升气缸205的活塞法兰头(如图4所示)，该柔性连接结构204的内壁与活塞法兰头表面具有一定间隔空间，以便能容纳下压－提升气缸205的一定范围内的安装倾斜误差，从而降低装配难度。柔性连接结构204上部为内凸结构301，当该下压－提升气缸205向上提升时，该下压－提升气缸的活塞法兰边与该内凸结构301互相卡住以拉动该下压顶针向上提升。
62.图4示出根据本发明一实施例的用于晶圆键合的顶针机构的正视图。如图4所示，下压－提升气缸205的活塞法兰头401安装在柔性连接结构204内部。下压－提升气缸205上提时，通过柔性连接结构的内凸结构301与法兰边402互相卡住，以带动下压顶针201向上提升。下压－提升气缸205下压时，通过法兰头下部的弧面403与该柔性连接结构204点接触，通过该点接触向下施力来下压下压顶针201。
63.本发明的顶针机构具有以下特点：下压顶针与气缸采用柔性连接结构；下压顶针提升与下压通过同一个气缸实现；下压顶针带导向滑块；顶针机构具有位移、压力双监控传感器，且位移传感器外置。上述结构使得晶圆键合的顶针下压过程得到实时监控，并且降低了装配难度，并能保持下压点的精确度，使得晶圆键合的质量得以大幅提升。
64.上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述发明披露仅仅作为示例，而并不构成对本技术的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本技术进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本技术中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本技术示范实施例的精神和范围。
65.同时，本技术使用了特定词语来描述本技术的实施例。如“一个实施例”、“一实施
例”、和/或“一些实施例”意指与本技术至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本技术的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
66.同理，应当注意的是，为了简化本技术披露的表述，从而帮助对一个或多个发明实施例的理解，前文对本技术实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本技术对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。
67.这里采用的术语和表述方式只是用于描述，本发明并不应局限于这些术语和表述。使用这些术语和表述并不意味着排除任何示意和描述(或其中部分)的等效特征，应认识到可能存在的各种修改也应包含在权利要求范围内。其他修改、变化和替换也可能存在。相应的，权利要求应视为覆盖所有这些等效物。
68.同样，需要指出的是，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做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、变型都将落在本技术的权利要求书的范围内。

技术特征：
1.一种用于晶圆键合的顶针机构，其特征在于，所述顶针机构包括：下压顶针、导向滑块、位移传感器、柔性连接结构、下压－提升气缸、压力传感器及顶针座；该下压－提升气缸用于下压或提升该下压顶针；该下压顶针与该下压－提升气缸之间通过该柔性连接结构连接；该导向滑块的导轨安装在该顶针座上，该导向滑块固定在该下压顶针的侧面；该压力传感器固定于该顶针座，用于监测该下压－提升气缸的竖直方向的压力；该位移传感器固定于该顶针座，用于监测该下压顶针的位移。2.如权利要求1所述的用于晶圆键合的顶针机构，其特征在于，该顶针座为一倒l型基座，该倒l型基座包括侧部与水平部，该侧部与该水平部垂直连接。3.如权利要求2所述的用于晶圆键合的顶针机构，其特征在于，该导向滑块的导轨设置在该侧部上，该导向滑块延该导轨上下滑动，确保该下压顶针的每次下压点是一样的。4.如权利要求2所述的用于晶圆键合的顶针机构，其特征在于，该压力传感器固定在该下压－提升气缸的顶部与该水平部之间。5.如权利要求2所述的用于晶圆键合的顶针机构，其特征在于，该位移传感器和该导轨的安装位置延该下压顶针的左右侧分布在该顶针座上。6.如权利要求1所述的用于晶圆键合的顶针机构，其特征在于，该柔性连接结构与该下压顶针的顶部固定连接，该柔性连接结构的内部空间能容纳该下压－提升气缸的活塞法兰头，该柔性连接结构的内壁与该活塞法兰头表面具有一定间隔空间。7.如权利要求1所述的用于晶圆键合的顶针机构，其特征在于，该柔性连接结构的上部为内凸结构，当该下压－提升气缸提升时，该下压－提升气缸的活塞法兰头与该内凸结构互相卡住以拉动该下压顶针向上提升。8.如权利要求7所述的用于晶圆键合的顶针机构，其特征在于，该内凸结构的内径小于该活塞法兰头的外径。9.如权利要求1所述的用于晶圆键合的顶针机构，其特征在于，该下压－提升气缸的活塞法兰头安装在该柔性连接结构内部，该活塞法兰头的底部为弧面，当该下压－提升气缸下压时，该弧面的中心点与该柔性连接结构点接触，通过该点接触向下施力来下压下压顶针。10.如权利要求1所述的用于晶圆键合的顶针机构，其特征在于，该下压顶针向下运动对晶圆施加作用力，以用于晶圆键合。

技术总结
本发明提供了一种用于晶圆键合的顶针机构，包括：下压顶针、导向滑块、位移传感器、柔性连接结构、下压－提升气缸、压力传感器及顶针座。该下压－提升气缸用于下压或提升该下压顶针；该下压顶针与该下压－提升气缸之间通过该柔性连接结构连接；该导向滑块的导轨安装在该顶针座上，该导向滑块固定在该下压顶针的侧面；该压力传感器固定于该顶针座，用于监测该下压－提升气缸的竖直方向的压力；该位移传感器固定于该顶针座，用于监测该下压顶针的位移。移。移。


技术研发人员：王茁
受保护的技术使用者：拓荆键科（海宁）半导体设备有限公司
技术研发日：2023.05.10
技术公布日：2023/8/6