校准装置、对准系统及对准方法

技术领域

本发明涉及半导体设备技术领域，尤其涉及校准装置、对准系统及对准方法。

背景技术

晶圆对准系统是晶圆键合设备不可或缺的关键部件之一，是保证键合片组准确进行后续工艺步骤的必要条件。

公开号为CN109920751A的专利申请公开了一种利用光刻曝光补偿修正晶圆键合对准偏差的系统，该系统在层间图形层的形成过程中引入光刻曝光补偿，对晶圆键合时的键合图形层的对准偏差进行修正。然而，该申请的对准偏差修正在层间图形层的形成过程中进行，会影响键合效率。

因此，有必要开发新型的校准装置以解决现有技术中存在的上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于辅助对两个基板进行对准的校准装置、包括所述校准装置的对准系统以及对准方法，以在键合前快速实现不同基板的对准。

本发明的所述两个基板均具有特征标记结构。

为实现上述目的，本发明的所述校准装置包括导向部、驱动部和支撑部；所述导向部使所述两个基板的中心和特征标记结构分别实现对准；所述驱动部包括设置于所述导向部的旋转驱动部和运动转换部，所述运动转换部将所述旋转驱动部的旋转运动转化为直线运动；所述支撑部包括设置于所述运动转换部的置物部以及与所述置物部相对设置的相对置物部，所述置物部在所述直线运动的带动下朝向或远离所述相对置物部运动。

本发明的所述校准装置的有益效果在于：所述校准装置中，所述导向部使所述两个基板的中心和特征标记结构分别实现对准，所述驱动部中的旋转驱动部和运动转换部通过将旋转运动转化为直线运动来驱动所述置物部朝向或远离所述相对置物部运动，从而在键合前快速实现了对准。

优选的，所述运动转换部包括导杆结构、套管结构和盘结构，所述套管结构活动套设于所述导杆结构，并设置于所述盘结构，所述导杆结构在所述旋转运动的驱动下进行相对运动，从而通过带动所述套管结构沿所述导杆结构的轴向方向运动来带动所述盘结构运动。其有益效果在于：有利于调整所述两个基板件的距离。

进一步优选的，所述导杆结构包括槽道结构，所述套管结构包括对应槽道结构，所述套管结构活动套设于所述导杆结构后，所述槽道结构和所述对应槽道结构形成绕所述导杆结构的轴线并沿所述导杆结构的轴向方向延伸的滚道结构。其有益效果在于：有利于运动平稳性。

进一步优选的，所述套管结构还包括活动嵌设于所述对应槽道结构的滚动结构，以在所述相对运动进行的过程中沿所述滚道结构运动。

优选的，所述置物部设置于所述盘结构。其有益效果在于：便于在所述盘结构的带动下调节所述两个基板间的距离。

进一步优选的，所述盘结构包括盘体，所述置物部和所述套管结构均设置于所述盘体，所述套管结构通过带动所述盘体的运动使所述置物部运动。

进一步优选的，所述盘结构还包括贯穿所述盘体设置的若干导轨结构，所述若干导轨结构固定连接于所述导向部，所述套管结构的运动带动所述盘体沿所述导轨结构运动。

进一步优选的，所述若干导轨结构相对所述盘体的中心呈环形阵列设置。

进一步优选的，所述置物部包括用于吸附所述基板的若干吸附结构，所述若干吸附结构设置于所述盘体，并相对所述盘体的中心呈环形阵列设置。

进一步优选的，所述置物部还包括相对设置的支撑盘结构和对应支撑盘结构，所述若干吸附结构贯穿所述支撑盘结构设置。

进一步优选的，所述支撑盘结构相对所述对应支撑盘结构的表面，以及所述对应支撑盘相对所述支撑盘的表面均设置有若干吸附槽结构，以提供吸附力作用。

优选的，所述导向部包括平面导向结构和旋转导向结构，所述平面导向结构在外部驱动的作用下使所述两个基板的中心实现对准，所述旋转导向结构在外部驱动的作用下使所述两个基板的特征标记结构实现对准。

本发明的所述对准系统包括主控部、图像采集部以及所述校准装置，所述主控部与所述图像采集部以及所述校准装置均通信连接。

本发明的所述对准方法包括以下步骤：

S1：调整所述图像采集部，使所述图像采集部相对所述校准装置处于第一位置状态；

S2：将待对准的两个基板放置于所述校准装置的支撑部，使所述两个基板相对；

S3：通过所述图像采集部采集所述两个基板的初始边缘位置信息和初始特征标记位置信息并发送至所述主控部进行所述核对计算；

S4：所述主控部将经过所述核对计算得到的校准信息发送至所述校准装置的导向部，所述导向部根据所述校准信息带动所述校准装置的驱动部和支撑部进行补偿调整。

附图说明

图1为本发明一些实施例的对准方法的流程图；

图2为本发明一些实施例的对准系统的结构示意图；

图3为图2所示的导向驱动部的部分结构示意图；

图4为图3所示的驱动部的结构示意图；

图5为图3所示的吸附结构的示意图；

图6为本发明一些实施例的支撑盘结构和对应支撑盘结构的使用状态示意图；

图7为图2所示的边缘图像采集部的俯视图；

图8为图7所示的第一边缘取像结构的结构示意图；

图9为本发明一些实施例的特征标记图像采集部的结构示意图；

图10为图2所示的对准系统的一种工作状态示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。除非另外定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本文中使用的“包括”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。

针对现有技术存在的问题，本发明实施例提供了一种用于辅助对两个基板的对准工艺的校准装置、包括所述校准装置的对准系统以及对准方法，以在键合前实现不同基板的对准。

本发明实施例中，所述两个基板均具有特征标记结构。

本发明实施例中，所述两个基板具有同一结构以及相同的尺寸。

本发明一些实施例中，所述两个基板中的一个基板为晶圆，另一个基板为载片，所述载片的一个表面覆盖有键合胶，以通过所述校准装置校准后将所述两个基板临时黏附在一起。所述晶圆与所述基板的特征标记结构均为位于边缘的缺口（Notch）

本发明一些实施例中，所述两个基板均为具有缺口的晶圆。

本发明实施例的校准装置包括导向部、驱动部和支撑部；所述对准系统包括主控部、图像采集部以及所述校准装置。

本发明实施例的所述对准系统的对准方法，参照图1，包括：

S1：调整所述图像采集部，使所述图像采集部相对所述校准装置处于第一位置状态；

S2：将待对准的两个基板放置于所述校准装置的支撑部，使所述两个基板相对；

S3：通过所述图像采集部采集所述两个基板的初始边缘位置信息和初始特征标记位置信息并发送至所述主控部进行所述核对计算；

S4：所述主控部将经过所述核对计算得到的校准信息发送至所述导向部，所述导向部根据所述校准信息进行补偿调整。

图2为本发明一些实施例的对准系统的结构示意图。

参照图2，所述对准系统2中，由导向驱动部21和支撑部22组成了所述校准装置，由边缘图像采集部23和特征标记图像采集部24组成了所述图像采集部，所述边缘图像采集部23和所述特征标记图像采集部24分别相对设置于所述校准装置（图中未标示）的两侧。

本发明一些实施例中，所述对准系统还包括主控部，并与所述图像采集部以及所述校准装置均通信连接，以接收所述图像采集部传输的图像信息，并对所述图像信息进行核对计算后向所述校准装置传输得到的校准信息，从而辅助所述校准装置使所述两个基板的中心和特征标记结构分别实现对准。

本发明一些具体的实施例中，所述主控部为计算机。所述主控部分别与所述导向部、所述驱动部、所述边缘图像采集部23和特征标记图像采集部24通信连接。

本发明一些实施例中，所述导向驱动部21包括所述导向部和所述驱动部。具体的，通过所述导向部使所述两个基板的中心和特征标记结构分别实现对准。

图3为图2所示的导向驱动部的部分结构示意图。图4为图3所示的驱动部的结构示意图。

本发明一些实施例中，所述驱动部设置于所述导向部，以通过所述运动转换部将所述旋转驱动部的旋转运动转化为直线运动。具体的，参照图3，所述导向驱动部21中，导向部31的固定台32设置驱动部33。

具体的，所述导向部31包括平面导向结构，所述平面导向结构在驱动下能够沿所述导向部31所放置的平面在相互垂直的两个方向运动。本发明一些具体的实施例中，所述平面导向结构在驱动下沿水平方向的X轴方面、X轴方向的反方向、Y轴方向以及Y轴方向的反方向的任意一种运动。

具体的，所述导向部31还包括旋转导向结构，所述旋转导向结构在驱动下能够以相互垂直的两个方向的中心点为旋转中心，绕垂直于所述平面的方向进行旋转。本发明一些具体的实施例中，所述旋转导向结构绕垂直于X轴方向和Y轴方向的Z轴方向进行旋转。

本发明一些实施例中，所述主控部通过控制所述平面导向结构使所述两个基板的中心实现对准，以及控制所述旋转导向结构使所述两个基板的特征标记结构实现对准。

本发明一些具体的实施例中，所述主控部与所述平面导向结构和所述旋转导向结构通信连接。

本发明一些具体的实施例中，所述导向部31的平面导向结构具有直线电机作为内部驱动，配合精密交叉滚子导轨，以直线光栅尺为闭环反馈使得在所述平面范围内的定位精度在3微米以内；其旋转导向结构具有高精度圆光栅，能够实现0.005度以内的精准定位。

本发明一些实施例中，所述驱动部包括旋转驱动部。具体的，参照图4，所述驱动部33中，伺服电机41、主动同步齿形带轮42、同步齿形带43和从动同步带轮44构成了所述旋转驱动部，所述伺服电机41的运转带动所述主动同步齿形带轮42旋转，进而通过所述同步齿形带43带动所述从动同步带轮44旋转。

进一步的，所述旋转驱动部设置于所述固定台32，能够在所述导向部31带动下运动。

本发明一些实施例中，所述驱动部还包括运动转换部，以将旋转运动转化为直线运动。具体的，所述运动转换部包括导杆结构和套管结构。

参照图4，导杆结构46设置于所述旋转驱动部（图中未标示），具体设置于所述旋转驱动部（图中未标识）的从动同步带轮44，所述套管结构45活动套设于所述导杆结构46，所述导杆结构46在所述从动同步带轮44的旋转运动驱动下相对所述套管结构45进行相对运动，从而通过带动所述套管结构45沿所述导杆结构46的轴向方向运动。所述导杆结构46的轴向方向为指向所述从动同步带轮44的中心轴线方向或其反方向。

本发明一些实施例中，所述导杆结构46包括槽道结构，所述套管结构45包括对应槽道结构和活动嵌设于所述对应槽道结构的滚动结构。

具体的，所述套管结构45活动套设于所述导杆结构46后，所述槽道结构和所述对应槽道结构形成绕所述导杆结构46的轴线并沿所述导杆结构46的轴向方向延伸的滚道结构，所述滚动结构在所述相对运动进行的过程中沿所述滚道结构运动。

更具体的，所述从动同步带轮44将旋转运动传递至所述导杆结构46后，所述导杆结构46沿径向方向发生导程，从而相对所述套管结构45发生相对运动，由于所述套管结构45的滚动结构活动嵌设在所述滚道结构内并在所述导杆结构46的驱动下沿所述滚道结构运动，使得所述套管结构45能够沿直线方向，即所述导杆结构的轴向方向或所述轴向方向的反方向发生直线运动。所述导杆结构46每旋转一周，所述套管结构45沿直线方向运动一个导程。

本发明一些具体的实施例中，所述套管结构45为滚珠螺母，所述导杆结构46为丝杠，所述套管结构45和所述导杆结构46共同构成了滚珠丝杠。

本发明一些实施例中，所述驱动部还包括设置于所述套管结构的盘结构，以在所述套管结构的带动下进行直线运动。

具体的，参照图3和图4，盘体34以及由导轨36和导轨套管35组成的导轨结构共同构成了所述盘结构。所述套管结构45设置于所述盘体34，所述套管结构45带动所述盘体34进行直线运动，有利于调整所述两个基板间的距离。

本发明一些具体的实施例中，所述导轨结构为滚珠丝杠，具体的运动方式请参见前述，在此不做赘述。

本发明一些实施例中，所述导轨结构的数目至少为1。

本发明一些实施例中，若干导轨结构相对所述盘体34的中心呈环形阵列设置。

图5为图3所示的吸附结构的示意图。

本发明一些实施例中，所述支撑部包括置物部，所述置物部包括吸附结构。参照图3和图5，吸附结构37设置于所述盘体34，相互连接的承接结构51和固定结构52，以及设置于所述固定结构52一端的接口结构53构成了所述吸附结构37。所述承接结构51用于承接所述两个基板中的任意一个。

参照图3至图5，所述套管结构45带动所述盘体34进行直线运动，进而带动所述吸附结构37进行直线运动。

进一步的，所述吸附结构37为中空结构，所述接口结构53用于连通真空管路，所述承接结构51通过真空吸附作用承接基板。

本发明一些具体的实施例中，所述承接结构51为直接接触晶圆的PIN帽，并由非金属耐热材料制成，以承受较高的键合工艺温度并避免损伤晶圆。所述固定结构52为固定所述PIN帽的PIN针。

本发明一些实施例中，所述吸附结构37的数量至少为1，若干所述吸附结构37相对所述盘体34的中心呈环形阵列设置。

图6为本发明一些实施例的支撑盘结构和对应支撑盘结构的使用状态示意图。

本发明一些实施例中，所述置物部还包括相对设置的支撑盘结构和对应支撑盘结构。参照图3和图6，支撑盘结构62相对于对应支撑盘结构61的表面设置有若干支撑盘吸附槽结构67，所述对应支撑盘61相对所述支撑盘62的表面设置有若干对应支撑盘吸附槽结构65，以分别连通外接的真空设备并提供吸附力作用。所述若干支撑盘吸附槽结构67和所述若干对应支撑盘吸附槽结构65构成了所述置物部的若干吸附槽结构。若干所述吸附结构37贯穿所述支撑盘结构62设置的若干贯穿孔66设置。

具体的，若干对应支撑盘吸附槽结构65为放置于所述对应支撑盘61的第一基板63提供吸附力。

若干支撑盘吸附槽结构67连同所述吸附结构37共同为所述第二基板64提供吸附力。

图7为图2所示的边缘图像采集部的俯视图。

参照图7，所述边缘图像采集部23包括第一固定座71，以及设置于所述第一固定座71的第一边缘取像结构72、第二边缘取像结构73和边缘取像驱动部74。所述第一边缘取像结构72和所述第二边缘取像结构73相对设置，所述边缘取像驱动部74驱动所述第一边缘取像结构72和所述第二边缘取像结构73同步运行，以同时采集所述两个基板边缘的图像。

本发明一些实施例中，通过所述第一边缘取像结构72和所述第二边缘取像结构73分别同时获取所述两个基板在不同边缘位置的图像，即每个边缘取像结构采集的图像均包括所述两个基板的边缘位置图像。

进一步的，所述第一边缘取像结构72和所述第二边缘取像结构73同步进行图像采集。

本发明一些具体的实施例中，所述边缘取像驱动部74包括电机驱动组件和边缘取像驱动组件。

更具体的，所述电机驱动组件包括伺服电机、主动带轮、同步齿型带和同步齿型带，所述边缘取像驱动组件包括从动带轮，所述伺服电机转动带动所述主动带轮同步转动，进一步带动所述同步齿型带传输至所述边缘取像驱动组件的从动带轮。所述电机驱动组件具体结构和装配方式请参见前述对所述驱动部33的记载，在此不做赘述。

图8为图7所示的第一边缘取像结构的结构示意图。

参照图8，所述第一边缘取像结构72包括共轴设置的图像反射件81、图像传输件82、边缘取像件83、设置于所述图像传输件82的照明件84以及固定座85。所述固定座85固定连接所述图像反射件81、所述图像传输件82和所述边缘取像件83，并保证所述图像反射件81、所述图像传输件82和所述边缘取像件83在水平方向上共轴。

当两个基板沿水平方向相互平行，图像经所述图像反射件81反射并通过所述图像传输件82传递至所述边缘取像件83，以完成两个不同基板的上下边缘图像的同步采集。所述照明件84提供充足的照明条件，并具有明暗调节功能，以便获得最佳的图像效果。

本发明一些具体的实施例中，所述图像反射件81为分光棱镜，所述图像传输件82为镜筒，所述照明件84为光源，所述边缘取像件83为视觉相机。

更具体的，所述分光棱镜为双重视野棱镜，所述视觉相机的焦深超过200微米，分辨率不小于5微米，使得所述第一边缘取像结构72移动到位后，不用聚焦，可同时对上下晶圆进行图像采集。

本发明一些实施例中，所述第一边缘取像结构72和所述第二边缘取像结构73具有相同的结构，且各自的图像反射件相对设置。

图9为本发明一些实施例的特征标记图像采集部的结构示意图。

参照图9，所述特征标记图像采集部24包括设置于第二固定座91的特征标记取像结构92，以及驱动所述特征标记取像结构92的特征标记取像驱动部93。

本发明一些实施例中，所述特征标记取像结构92与所述第一边缘取像结构72和所述第二边缘取像结构73具有相同的结构。

本发明一些实施例中，所述特征标记取像驱动部93与所述边缘取像驱动部74具有相同的结构。

图10为图2所示的对准系统的一种工作状态示意图。

以下参照图2至图10对本发明实施例的对准方法进行详细阐述。

在初始状态下，所述边缘图像采集部23和特征标记图像采集部24均远离所述支撑盘结构62和所述对应支撑盘结构61。

所述步骤S1中，通过主控部（图中未标示）调节所述第一边缘取像结构72、所述第二边缘取像结构73和所述特征标记取像结构92在水平方向上的轴线在同一水平面，且所述特征标记取像结构92朝向所述第一边缘取像结构72和所述第二边缘取像结构73中间的位置设置，以使所述图像采集部处于所述第一位置状态。

进一步的，所述导向部31沿垂直方向的轴线距离所述第一边缘取像结构72和所述第二边缘取像结构73的任意一种的近端的垂直距离等于距离所述特征标记取像结构92近端的垂直距离，所述近端指靠近所述导向部31的一端。所述吸附结构37位于行程的下极限，使支撑晶圆的所述承接结构51位于所述支撑盘结构62的下端面以下。

所述步骤S2中，首先进行如下置板过程：

使所述吸附结构37上升至指定取片位置，一个基板由传输机械手送达至所述吸附结构37，所述吸附结构37由于接通真空以实现对基板的吸附，然后使所述吸附结构37上升至所述对应支撑盘结构61处，所述对应支撑盘结构61接通真空以实现对一个基板的承接；然后断开所述吸附结构37的真空供应，使所述吸附结构37向下运动至所述指定取片位置。另一个基板由传输机械手传入后，所述吸附结构37向下运动至校准位置。

本发明一些实施例中，所述校准位置与所述支撑盘结构62之间的垂直距离不大于5毫米。

所述步骤S2的置板过程完成后，进行对准过程，所述对准过程具体为：

驱动所述边缘图像采集部23和特征标记图像采集部24同时朝向所述支撑盘结构62和所述对应支撑盘结构61之间运动，直至到达各自的图像采集位。所述图像采集位位于所述支撑盘结构62和所述对应支撑盘结构61之间。

所述步骤S3中，通过所述边缘图像采集部23和特征标记图像采集部24的每个取像结构同时对晶圆取像以各自生成位置图像信息并传输至主控部进行位置分析，得出位置补偿信息。

具体的，所述边缘图像采集部23的不同取像部回传的位置图像信息同时包括了不同基板相对的边缘位置的图像信息；所述特征标记图像采集部24回传的位置图像信息包括不同基板的特征标记位置信息。

所述步骤S4中，所述主控部以所述两个基板的任意一个为基准，调用预存的参照边缘位置信息和参照特征标记位置信息生成边缘位置补偿信息和特征标记位置补偿信息作为所述校准信息并发送至所述校准装置。

进一步的，所述校准装置通过所述导向部31进行位置补偿处理后，再通过所述边缘图像采集部23和特征标记图像采集部24的每个取像结构进行取像并所述主控部进行位置分析，直至所述主控部判断所述不同基板相对的边缘位置的图像信息与所述参照边缘位置信息一致，以及所述不同基板的特征标记位置信息与所述参照特征标记位置信息一致。

本发明一些具体的实施例中，所述特征标记为晶圆缺口，所述参照特征标记位置信息包括不同晶圆缺口的圆弧中心位置信息。

本发明一些实施例中，所述对准过程中，参照图2和图6，位于下部的所述第二基板64被接通真空的所述吸附结构37顶起以脱离所述支撑盘结构62。控制所述第二基板64朝向所述第一基板63的表面距离所述第一基板63朝向所述第二基板64的表面之间的垂直距离等于所述第一边缘取像结构72的视觉相机的焦距。

本发明一些具体的实施例中，所述垂直距离为0.5mm-1mm。

所述对准过程完成后，所述吸附结构37带动所述第二基板64垂直下降直至吸附至所述支撑盘结构62而实现固定。

进一步的，驱动所述边缘图像采集部23和特征标记图像采集部24远离所述支撑盘结构62和所述对应支撑盘结构61之间的空间，然后执行键合工艺。

虽然在上文中详细说明了本发明的实施方式，但是对于本领域的技术人员来说显而易见的是，能够对这些实施方式进行各种修改和变化。但是，应理解，这种修改和变化都属于权利要求书中所述的本发明的范围和精神之内。而且，在此说明的本发明可有其它的实施方式，并且可通过多种方式实施或实现。