压力键合装置、控制系统及压力键合方法

本发明属于光电子技术领域，尤其涉及一种压力键合装置、控制系统及压力键合方法。

背景技术：

半导体键合技术可以将具有较大晶格失配的不同特性材料通过接触面间的分子力或键合化学力键合在一起。通过不同特性材料间的键合，将不同材料的优势结合起来，从而提高器件设计的自由度。

一般情况下，键合工艺按照温度不同可以分为高温键合(温度大于400℃)和低温键合(温度低于400℃)。在高温键合过程中，由于键合材料间存在较高的热失配，所以容易在界面产生缺陷，进而导致器件的性能降低。而低温键合过程需要较高的真空度，且需要复杂的设备实现，导致低温键合的成本较高。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种压力键合装置、控制系统及压力键合方法，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。

作为本发明的一个方面，公开了一种压力键合装置，包括：

键合凹槽，用于放置键合辅助材料；

加压缓冲单元，包括：

加压部件，悬空设置于键合凹槽上方；以及

承压单元，设置在键合凹槽下方，用于为键合凹槽提供支撑；

其中，所述加压部件可插入所述键合凹槽，以挤压容纳在所述键合凹槽内的待键合物体，实现所述待键合物体的键合。

作为本发明的另一个方面，还公开了一种压力键合控制系统，包括：加压单元、如上所述的压力键合装置、压力检测单元和控制器；

所述加压单元设置在所述压力键合装置上，用于施加外部压力；

所述压力检测单元设置于键合凹槽与承压单元之间，用于在压力键合过程中检测键合凹槽所承受的压力；

所述控制器分别与所述温度调节单元、所述压力检测单元以及加压单元连接；

其中，所述控制器接收所述温度调节单元检测的温度以及所述压力检测单元检测的压力，并控制所述温度调节单元以及所述加压单元。

作为本发明的再一个方面，还公开了一种压力键合方法，使用如上所述的压力键合控制系统，包括：

s1：对待键合的衬底以及外延结构进行预处理；

s2：向键合凹槽内注入键合辅助材料；

s3：将步骤s1中得到的衬底和外延结构依次放入步骤s2中的键合凹槽内；

s4：通过控制器控制压力键合系统，使加压缓冲单元向步骤s3中的外延结构施加压力；

s5：通过控制器调整步骤s3中压力键合装置的键合参数，完成所述外延结构与衬底之间键合。

基于以上技术方案，本发明的压力键合装置、控制系统及压力键合方法相对于现有技术至少具有以下优势之一：

1、本发明的压力键合装置通过设置键合凹槽，并在压力键合过程中引入键合辅助材料，实现了在室温条件(15至30℃)下，通过温度调节单元将键合凹槽加热至键合所需温度，完成芯片与热沉之间键合，提高芯片键合的效率，降低芯片与热沉之间产生气泡的几率，提高芯片键合的成品率和可靠性；

2、本发明的压力键合装置通过设置弹簧等缓冲部件，实现了加压部件平稳施加压力的技术效果，同时在第一支撑部件上设置多个通孔，用于调节引导柱的角度，从而使所施加压力均匀稳定且温和，提升了键合质量；

3、本发明的压力键合装置与压力键合控制系统，具有结构简单，制造难度低的特点，易于批量生产。

附图说明

图1是本发明实施例中压力键合装置的结构示意图；

图2是本发明实施例中压力键合装置中第一支撑部件的俯视方向结构示意图；

图3是本发明实施例中压力键合控制系统的结构示意图；

图4是本发明实施例中压力检测单元的结构示意图；

图5是本发明实施例中压力键合控制系统的立体结构示意图；

附图标记说明：

1-键合凹槽；

2-加压缓冲单元；

21-加压部件；22-引导柱；23-第一支撑部件；24-缓冲部件；

25-支撑柱；26-第一承压部件；

231-支撑部件通孔；232-第二凹槽；

3-温度调节单元；

4-承压单元；41--第二支撑部件；42；第二承压部件

5-压力检测单元；

51-第一传感器支撑块；52-压力传感器；53-第二传感器支撑块；

6-监控单元；

7-加压单元；

8-控制器。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

本发明的目的是提供一种压力键合装置、控制系统及方法，通过引入键合辅助材料，提高芯片键合的成品率。

本发明公开了一种压力键合装置，包括：

键合凹槽1，用于放置键合辅助材料；

加压缓冲单元2，包括：

加压部件21，悬空设置于键合凹槽1上方；以及

承压单元4，设置在键合凹槽1下方，用于为键合凹槽1提供支撑；

其中，所述加压部件21可插入所述键合凹槽1，以挤压容纳在所述键合凹槽1内的待键合物体，实现所述待键合物体的键合。

在本发明的一些实施例中，所述加压缓冲单元2还包括：

引导柱22，其下端与所述加压部件21连接；

第一支撑部件23，设置在加压部件21上方；其中，所述第一支撑部件23上设置有至少一个支撑部件通孔231，所述引导柱22贯穿支撑部件通孔231；

缓冲部件24，嵌套在引导柱22外侧，且位于加压部件21与第一支撑部件23之间，用于为所述加压部件21均匀施加压力；

支撑柱25，设置在第一支撑部件23上；以及

第一承压部件26，其下表面通过支撑柱25与第一支撑部件23连接，用于承接外部施加的压力。

在本发明的一些实施例中，所述加压组件21上设置有第一凹槽，所述加压组件支柱22通过设置在所述第一凹槽内与加压组件21固定连接；

在本发明的一些实施例中，所述第一支撑部件23上设置有第二凹槽232，所述支撑柱25通过设置在所述第二凹槽232内与所述第一支撑部件23固定连接。

在本发明的一些实施例中，所述压力键合装置还包括：

温度调节单元3，设置于所述键合凹槽1与所述承压单元4之间，用于在压力键合过程中，检测并调节所述键合凹槽1的温度；

在本发明的一些实施例中，所述承压单元4，包括：

设置在温度调节单元3底部的第二支撑部件41；以及

设置在所述第二支撑部件41底部的第二承压部件42。

在本发明的一些实施例中，所述加压部件21的形状包括平板结构；

在本发明的一些实施例中，所述加压部件21采用的材料包括透明材料；

在本发明的一些实施例中，所述第一支撑部件23的形状包括平板结构或边框结构；

在本发明的一些实施例中，所述缓冲部件24包括弹簧。

本发明还公开了一种压力键合控制系统，包括：加压单元7、如上所述的压力键合装置、压力检测单元5和控制器8；

所述加压单元7设置在所述压力键合装置上，用于施加外部压力；

所述压力检测单元5设置于键合凹槽1与承压单元4之间，用于在压力键合过程中检测键合凹槽1所承受的压力；

所述控制器8分别与所述温度调节单元3、所述压力检测单元5以及加压单元7连接；

在本发明的一些实施例中，所述控制器8接收所述温度调节单元3检测的温度以及所述压力检测单元5检测的压力，并控制所述温度调节单元3以及所述加压单元7。

在本发明的一些实施例中，所述压力检测单元5包括：

压力传感器52，用于将所述键合凹槽内的压力值转换为电信号，并传输至所述控制器8；

第一传感器支撑块51，设置在所述压力传感器52顶部；以及

第二传感器支撑块53，设置在所述压力传感器52底部。

在本发明的一些实施例中，所述压力键合控制系统还包括：

设置在第一承压部件26底部的监控单元6，用于监控压力键合过程。

本发明还公开了一种压力键合方法，使用如上所述的压力键合控制系统，包括：

s1：对待键合的衬底以及外延结构进行预处理；

s2：向键合凹槽1内注入键合辅助材料；

s3：将步骤s1中得到的衬底和外延结构依次放入步骤s2中的键合凹槽1内；

s4：通过控制器8控制压力键合系统，使加压缓冲单元2向步骤s3中的外延结构施加压力；

s5：通过控制器8调整步骤s3中压力键合装置的键合参数，完成所述外延结构与衬底之间键合。

在本发明的一些实施例中，所述键合参数包括：键合凹槽1的温度值、加压缓冲单元2施加的压力数值、以及加压单元7施加压力的方向；

在本发明的一些实施例中，所述键合辅助材料包括水、甲醇或丙酮等。

本发明的一个实施例中，公开了一种压力键合装置，压力键合装置自上而下依次包括：上承压缓冲部件(即加压缓冲单元2)、键合凹槽1以及下承压部件(即承压单元4)；其中，所述键合凹槽1用于放置键合辅助材料；所述上承压缓冲部件(即加压缓冲单元2)的上端(即第一承压部件26)用于盛放加压单元7，所述上承压缓冲部件(即加压缓冲单元2)的下端(即加压部件21、引导柱22、第一支撑部件23、缓冲部件24以及支撑柱25)为缓冲结构；所述键合凹槽1的开口处与所述加压部件21对应，所述键合凹槽1的凹槽背面设置在所述下承压部件(即承压单元4)上。

在本实施例中，所述下承压部件(即承压单元4)包括下支撑板(即第二支撑部件41)和下承压板(即第二承压部件42)；

所述下支撑板(即第二支撑部件41)的上表面与所述键合凹槽1的背面连接，所述下支撑板(即第二支撑部件41)的下表面与所述下承压板连接(即第二承压部件42)。

在本实施例中，如图1所示，压力键合装置还包括温度调节单元3，设置在所述键合凹槽1与下承压部件(即承压单元4)之间，用于调节所述键合凹槽1的温度；

在本实施例中，所述上承压缓冲部件(即加压缓冲单元2)包括上承压板(即第一承压部件26)和缓冲结构；

所述缓冲结构包括：支撑板支柱(即支撑柱25)、支撑板(第一支撑部件23)、加压板支柱(即引导柱22)、加压板弹簧(即缓冲部件24)以及键合加压板(即加压部件21)；

所述上承压板(即第一承压部件26)的上表面用于盛放加压单元7，所述上承压板(即第一承压部件26)的下表面与所述缓冲结构连接；所述缓冲结构与所述键合凹槽1的开口处对应。

所述支撑板(即第一支撑部件23)通过所述支撑板支柱(即支撑柱25)与所述上承压板(即第一承压部件26)的下表面连接；

所述加压板支柱(即引导柱22)的一端穿过所述支撑板(即第一支撑部件23)，所述加压板支柱(即引导柱22)的另一端固定在所述键合加压板(即加压部件21)上；所述加压板弹簧(即缓冲部件24)嵌套在所述加压板支柱(即引导柱22)外，且所述加压板弹簧(即缓冲部件24)位于所述支撑板(即第一支撑部件23)与所述键合加压板(即加压部件21)之间；

所述键合加压板(即加压部件21)位于所述键合凹槽1的开口处上方，用于对待键合物体施加压力。

在本实施例中，所述键合加压板(即加压部件21)的制备材料包括透明的硬质耐热材料；

在本实施例中，所述键合凹槽1内的键合辅助材料包括甲醇；

本发明的一个实施例中，还公开了一种压力键合控制系统，包括加压单元7、如上所述的压力键合装置、压力检测单元5以及控制器8；

所述压力检测单元5的上表面与所述温度调节单元3连接，所述压力检测单元5的下表面与所述下承压部件(即承压单元4)连接；所述压力检测单元5用于检测所述加压单元7施加的压力；

所述控制器8分别与所述压力检测单元5和所述温度调节单元3连接，所述控制器8用于根据所述压力检测单元5采集的压力信号控制所述加压单元7工作，所述控制器8还用于根据所述温度调节单元3采集的温度信息控制所述温度调节单元3，以达到调节所述键合凹槽1的温度的目的。

在本实施例中，所述压力键合控制系统还包括微型成像装置(即监控单元6)；

所述微型成像装置设置在所述上承压缓冲部件(即加压缓冲单元2)中上承压板(即第一承压部件26)的下表面，所述微型成像装置用于监控键合过程。

本发明的另一个实施例中，还公开了一种压力键合方法，包括：

s1：对外延片及衬底进行表面处理；

s2：向如上所述的压力键合装置的键合凹槽1内注入键合辅助材料；

s3：将步骤s1中得到的所述外延片和所述衬底放在步骤s2中注有所述键合辅助材料的所述键合凹槽1内；

s4：通过控制器调整所述压力键合装置的键合参数，以对所述外延片和所述衬底进行压力键合，得到键合后的芯片。

本发明的实施例中通过在设置键合凹槽1中放置键合辅助材料，消除在键合过程中键合气泡等的影响，提高芯片键合的成品率和可靠性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

实施例1

如图1所示，本实施例提供的一种压力键合装置从上至下依次包括上承压缓冲部件(即加压缓冲单元2)、键合凹槽1以及下承压部件(即承压单元4)；其中，所述键合凹槽1用于放置键合辅助材料所述键合辅助材料能够消除键合过程中键合气泡等的影响，使键合压力均匀、应力小。所述键合辅助材料包括键合溶液以及必要的键合辅助物，例如包括水、甲醇、丙酮等键合溶液，或包括低熔点金属，例如铟等。

所述键合凹槽1的采用的材料包括硬质高导热材料，例如如石墨、紫铜等，用于保证键合过程中的温度稳定性和均匀性。当使用石墨材料制备键合凹槽1，则需要在键合凹槽1的表面镀碳化硅膜，用以达到防水的目的。

所述上承压缓冲部件(即加压缓冲单元2)的上端(即第一承压部件26)用于盛放加压单元7，所述上承压缓冲部件的下端(即加压部件21、引导柱22、第一支撑部件23、缓冲部件24以及支撑柱25)为缓冲结构；所述键合凹槽1的开口处与所述加压部件21对应，所述键合凹槽1的凹槽背面设置在所述下承压部件(即承压单元4)上。在本实施例中，加压单元7为用于施加压力的台钳或机械加压装置，并且加压单元7垂直放置在所述上承压缓冲部件(即加压缓冲单元2)上。

在本实施例中，所述下承压部件(即承压单元4)包括下支撑板(即第二支撑部件41)和下承压板(即第二承压部件42)；

所述下支撑板(即第二支撑部件41)的上表面与所述键合凹槽1的背面连接，所述下支撑板(即第二支撑部件41)的下表面与所述下承压板连接(即第二承压部件42)。

在本实施例中，所述压力键合装置还包括温度调节单元3；设置在所述键合凹槽1与下承压部件(即承压单元4)之间，用于调节所述键合凹槽1的温度；

进一步地，所述上承压缓冲部件(即加压缓冲单元2)包括上承压板(即第一承压部件26)和所述缓冲结构；

所述上承压板21(即第一承压部件26)的上表面用于盛放加压部件，所述上承压板(即第一承压部件26)的下表面与所述缓冲结构接触；所述缓冲结构与所述键合凹槽1的开口处对应。

在本实施例中，所述缓冲结构包括支撑板支柱(即支撑柱25)、支撑板(即第一支撑部件23)、加压板支柱(即引导柱22)、加压板弹簧(即缓冲部件24)以及键合加压板(即加压部件21)；所述支撑板(即第一支撑部件23)通过所述支撑板支柱(即支撑柱25)与所述上承压板(即第一承压部件26)的下表面接触；所述加压板支柱(即引导柱22)的一端穿过所述支撑板(即第一支撑部件23)，所述加压板支柱(即引导柱22)的另一端固定在所述键合加压板(即加压部件21)上；所述加压板弹簧(即缓冲部件24)嵌套在所述加压板支柱(即引导柱22)外，且所述加压板弹簧(即缓冲部件24)位于所述支撑板(即第一支撑部件23)与所述键合加压板(即加压部件21)之间；所述键合加压板(即加压部件21)与所述键合凹槽1的开口处对应，并且，所述键合加压板(即加压部件21)与键合凹槽1上下平行，从而保证键合质量。

如图2所示，所述支撑板支柱(即支撑柱25)通过支撑板支柱孔洞(即第二凹槽232)与所述支撑板(即第一支撑部件23)固定连接；所述加压板支柱24通过加压板支柱孔洞(即支撑部件通孔231)穿过支撑板(即第一支撑部件23)。加压板支柱(即引导柱22)相对于支撑板支柱(即支撑柱25)处于支撑板(即第一支撑部件23)的内侧位置，每根加压板支柱(即引导柱22)均有三种位置以穿过支撑板(即第一支撑部件23)，即每一个加压板支柱24可通过3个加压板支柱孔洞8(即支撑部件通孔231)中的一个穿过支撑板(即第一支撑部件23)。

上述具有加压板弹簧(即缓冲部件24)的缓冲结构在压力键合装置施加压力的时候，通过调整加压板支柱(即引导柱22)的位置来调节压力施加的角度，以达到平衡和缓冲应力的作用，使所施加的压力稳定且温和。

在本实施例中，所述键合加压板(即加压部件21)采用的材料包括透明的硬质耐热材料，例如石英、金刚石等。

实施例2

本实施例提供了一种压力键合控制系统，如图3所示，包括实施例1中所述的压力键合装置、压力检测单元5、加压单元7以及控制器8；所述压力检测单元5的上表面与所述温度调节单元3连接，所述压力检测单元5的下表面与所述下承压部件(即承压单元4)连接；所述压力检测单元5用于检测加压单元7施加的压力；

所述控制器8分别与所述加压单元7、所述压力检测单元5以及所述温度调节单元3连接，所述控制器8用于根据所述压力检测单元5采集的压力信号控制所述加压单元7工作，所述控制器8还用于根据所述温度调节单元3采集的温度信息控制所述温度调节单元3，以达到调节所述键合凹槽1的温度的目的。本实施例提供的压力键合控制系统通过压力检测单元5及温度调节单元3精细调节键合参数，保证键合质量。

在本实施例中，所述压力键合控制系统还包括微型成像装置(即监控单元6)；所述微型成像装置(即监控单元6)设置在所述上承压缓冲部件(即加压缓冲单元2)中上承压板(即第一承压部件26)的下表面，所述微型成像装置(即监控单元6)用于监控键合过程。在本实施例中，所述微型成像装置(即监控单元6)正对键合凹槽1，所述微型成像装置(即监控单元6)通过中间镂空的第一支撑部件23、透明的键合加压板(即加压部件21)观察键合凹槽1中的键合过程。

如图4所示，压力检测单元5包括压力传感器52、第一传感器支撑块51及第二传感器支撑块53；第一传感器支撑块51的上表面与温度调节单元3连接，第一传感器支撑块51的下表面与压力传感器52的上表面连接；第二传感器支撑块53的上表面与压力传感器52的下表面连接，第二传感器支撑块52的下表面与下支撑板(即第二支撑部件41)连接，且第一传感器支撑块51设置在压力传感器52的一端，第二传感器支撑块53设置在压力传感器52的另一端。

本实施例中的压力键合控制系统的立体结构图如图5所示。

实施例3

本实施例提供了一种压力键合方法，使用实施例2中所述的压力键合控制系统，包括：

s1：对外延片及衬底进行表面处理。

s2：向如上所述的压力键合装置的键合凹槽1内注入键合辅助材料。

s3：将步骤s1中得到的所述外延片和所述衬底放在注有所述键合辅助材料的所述键合凹槽1内。

s4：通过控制器8调整所述压力键合装置的键合参数，以对所述外延片和所述衬底进行压力键合，进而得到键合后的芯片。

在本实施例中，所述对外延片及衬底进行表面处理包括：清洗所述外延片及所述衬底；对所述外延片及所述衬底进行表面处理。

相对于现有技术，本发明实施例中的压力键合装置、压力键合系统具有以下优点：

(1)本发明压力键合装置通过设置键合凹槽1，并在压力键合过程中引入键合辅助材料，提高了芯片键合的效率，降低芯片与热沉之间产生气泡的几率，提高芯片键合的成品率和可靠性。

(2)本发明基于低温键合的方式，通过设计压力键合装置，简化了压力键合设备的复杂性。

(3)本发明压力键合装置使用缓冲结构(即缓冲部件24)，且可以通过调整加压板支柱(即引导柱22)贯穿支撑部件通孔25的具体位置来调节压力施加角度和平衡性，所施加压力均匀稳定且温和，从而保证键合质量。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。