【行业应用】激光位移传感器用于提高芯片键合的对准精度

现代技术对芯片功能的需求不断提高，通过缩小晶体管尺寸来提高性能的方式却愈发困难，因此集成电路技术逐渐由2D平面向3D集成方向发展。在3D集成技术中，晶圆级键合是实现该技术中最为重要的一个环节。在两片晶圆键合之前，需要对晶圆上的电路进行精确对准，一旦发生图案错位将导致键合后线路串行和短路等问题。而且，随着半导体工艺的发展和进步，刻线精度越来越高，晶圆上的电路图案不断缩小，因此对晶圆对准精度的要求也不断提高。

晶圆对准过程需要利用晶圆对准装置来实现，现有的晶圆对准装置采用的是上、下晶圆在两个不同位置取像的方式，对准基准不唯一，而两个基准之间的误差是固有存在的，而且这个误差在后续操作过程中无法消除或弥补，该误差会一直带入到对准的最终结果，严重影响了晶圆对准的精确度，对后续晶圆键合等工艺造成不利影响。

为此，本发明所要解决的技术问题在于现有技术的晶圆对准装置对准误差大、精度低，而提供一种对准精确度高、而且操作方法简便的晶圆对准装置及其对准方法。

图1

所述晶圆对准装置包括基座1以及设置于所述基座1上的上晶圆运动系统、下晶圆运动系统、位置记录系统、视觉检测系统以及控制系统。所述基座1采用花岗岩材质。

所述上晶圆运动系统用于带动上晶圆2移动，所述上晶圆运动系统设置有精动对准调节装置。所述下晶圆运动系统用于带动下晶圆3移动。所述上晶圆运动系统或所述下晶圆运动系统设置有用于检测所述上晶圆2与所述下晶圆3平行度的平行度检测元件。所述位置记录系统用于记录所述下晶圆3初始识别位置信息。所述视觉检测系统设置于所述上晶圆运动系统和所述下晶圆运动系统的两侧。在所述控制系统的控制下，通过所述视觉检测系统、所述上晶圆运动系统和所述下晶圆运动系统的配合使所述上晶圆2和所述下晶圆3对准。

所述位置记录系统包括传感器安装架20及设置于所述传感器安装架20上的至少三个激光位移传感器21。

本发明提供的晶圆对准装置的对准方法，详述如下：

首先，需要说明的是：为进行晶圆对准，上晶圆的标记包括设置在同一条与X方向平行的过晶圆圆心划片道上且到晶圆圆心距离相同的上晶圆第一标记30和上晶圆第二标记31，同样地，下晶圆的标记包括设置在同一条与X方向平行的过晶圆圆心划片道上且到圆心距离相同的下晶圆第一标记32和下晶圆第二标记33。

所述晶圆对准装置的对准方法包括：

步骤一，在控制系统的控制下，通过上晶圆运动系统、下晶圆运动系统分别将上晶圆、下晶圆移动到对准工位，利用平行度检测元件检测所述上晶圆和所述下晶圆的平行度，通过调整上晶圆运动系统和/或下晶圆运动系统使所述上晶圆和所述下晶圆保持平行。

为了提高对准效率，在步骤一之前，还需对上晶圆和下晶圆进行预对准，在预对准设备上完成预对准后，将上晶圆和下晶圆分别传输到上晶圆运动系统的上卡盘28和下晶圆运动系统的下卡盘29上。

通常，这一过程是由外部机械手完成的。在上晶圆完成预对准后，将上承载台27移动到传输工位，下承载台7移动到对准工位，由外部机械手真空吸附上晶圆的背面，上晶圆正面朝下，上晶圆被机械手传输到处于传输工位的上卡盘28下部，上卡盘28提供真空将上晶圆真空吸附固定，外部机械手撤出对准装置区域；然后，在下晶圆完成预对准后，将上承载台27移动到对准工位，下承载台7移动到传输工位，由外部机械手真空吸附下晶圆背面，下晶圆正面朝上，下晶圆被机械手传输到处在传输工位的下卡盘29上，下卡盘29提供真空将下晶圆真空吸附固定，外部机械手撤出对准装置区域。之后，再进行上述步骤一的操作。

所述平行度检测元件为设置在上卡盘28上的电容传感器，该电容传感器将检测出的上晶圆和下晶圆的平行度值反馈给控制系统，控制系统经过计算控制下运动台6底部的Z方向致动器对下运动台6进行θX、θY两个方向上补偿，使上晶圆和下晶圆间的平行度满足视觉检测系统的识别要求。

步骤二，通过上晶圆运动系统将上晶圆移动到传输工位，调整视觉检测系统的位置识别出下晶圆的标记，此时下晶圆处于初始识别位置，锁定视觉位置系统的位置，由位置记录系统记录所述下晶圆的初始识别位置信息。

通过调整左视觉系统运动机构，利用左视觉检测系统的左上物镜10识别出下晶圆第一标记32，并将下晶圆第一标记32移动到左上物镜10的视场中心处，锁定左视觉检测系统位置；通过调整右视觉系统运动机构，利用右视觉检测系统的右上物镜14识别出下晶圆第二标记33，并将下晶圆第二标记33移动到右上物镜14的视场中心处，锁定右视觉检测系统位置。然后，由位置记录系统通过记录下承载台7的位置来记录下晶圆的初始识别位置信息。

步骤三，通过下晶圆运动系统将下晶圆移动到所述传输工位，通过上晶圆运动系统将上晶圆移动到对准工位，通过上晶圆运动系统调整上晶圆的位置，利用视觉检测系统识别出上晶圆的标记，至此完成粗动对准。

通过调整上运动台控制机构，利用左视觉检测系统的左下物镜11识别出上晶圆第一标记30，并将上晶圆第一标记30移动到左下物镜11的视场中心处，利用右视觉检测系统的右下物镜15别出上晶圆第二标记31，并将上晶圆第二标记3 1移动到右下物镜15的视场中心处，至此完成粗动对准。

步骤四，按照初始识别位置信息通过下晶圆运动系统将下晶圆移动到对准工位，此时下晶圆处于实际识别位置，由控制系统计算并累加实际识别位置与初始识别位置的偏差以及上晶圆标记与下晶圆标记的位置偏差，进而控制精动对准调节装置进行精动对准。

上晶圆标记与下晶圆标记的位置偏差包括上晶圆第一标记30与下晶圆第一标记32的位置偏差以及上晶圆第二标记31与下晶圆第二标记33的位置偏差。所述精动对准调节装置为设置于上晶圆运动系统上的纳米定位运动台5。控制系统控制纳米定位运动台5对上晶圆先补偿θZ方向的偏差，再补偿X方向和Y方向的偏差，实现上晶圆第一标记30与所述下晶圆第一标记32以及所述上晶圆第二标记31与下晶圆第二标记33的精确对准，即上晶圆标记与下晶圆标记两两空间对应，达到纳米级别对准精度。

在其他实施例中，平行度检测元件还可以设置在下晶圆运动系统中，如下卡盘上。根据实际设计需求，下运动台控制机构也可以设置四个、五个等Z方向致动器，位置记录系统也可包括四个、五个激光位移传感器，同样能够实现本发明的目的。

原文说明：本文内容节选自网络公开专利（CN112053985A）。