一种晶圆键合强度测量装置及测量方法与流程

1.本发明涉及晶圆加工制造技术领域，尤其涉及一种晶圆键合强度测量装置及测量方法。


背景技术：

2.低温晶圆直接键合技术是近年来研究最热门的键合方法，同时也是最为困难，对硅晶圆表面形貌和表面处理工艺要求最高的键合方法，不良的硅晶圆表面形貌或表面处理都会让键合的晶圆对产生不可修复的缺失。晶圆直接键合的工艺经历了从早期的高温晶圆键合到现在普遍研究和推广的低温晶圆键合工艺，主要就是为了克服高温对器件的影响，所以人们开始关注于低温晶圆键合的研究。目前主要的研究包括了亲水键合和疏水键合。低温直接键合的本质在于通过对硅表面进行表面处理，提高表面能，进而通过水分子桥接(亲水键合)或hf分子桥接(疏水键合)以及分子间的作用力，将两片或多片硅晶圆贴合在一起。
3.低温晶圆直接键合技术中，键合强度是其最重要的测定特征之一，它是关系到键合质量优劣的一个重要指标。键合强度小，在加工过程中两键合晶圆很有可能会开裂，导致失效。制造过程参数(特别是晶圆的表面预处理步骤和键合条件)的微小变动，都会直接影响健合界面的强度性能，因此键合强度不够反应了键合工艺过程中的某些环节出了问题；键合强度大，证明两晶圆接触紧密，键合界面裂缝、空洞的影响微乎其微，利用键合技术制作的器件也较不容易受到温度、湿度等环境因子的破坏而失效。
4.目前键合强度测量方式都是采用破坏性的测量方式，包括有裂纹传播扩散法、直拉法、微楔形糟测试法、静态油压测试法及四点弯曲测试法，其中又以裂纹传播扩散法使用最为普遍。裂纹传播扩散法俗称刀片插入法或双悬臂梁测试法，是测量表面能(即键合强度)最传统最普遍的方法，通过在键合界面插入一薄刀片而将两晶圆分开，使两片晶圆中间产生缝隙，再利用红外检测或超声波检测等系统测量缝隙长度并经过计算，最终得到晶圆的键合强度。
5.在通过裂纹传播扩散法对晶圆进行键合强度测量时，通常是由检测人员手持刀片插入至两片晶圆之间，由于晶圆的表面较为光滑，使刀片容易在晶圆上发生打滑，导致刀片容易划伤手指。


技术实现要素：

6.本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种晶圆键合强度测量装置及测量方法。
7.为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
8.一种晶圆键合强度测量装置及测量方法，包括机架，所述机架为中空结构，所述机架一端的顶部固定安装有导向架，所述导向架为c形结构，所述导向架的内壁滑动安装有与其相匹配的料盒，所述料盒沿其高度方向的内壁均匀开设有多个与晶圆形状相匹配的料
槽，所述机架位于料盒下方的内部设有卸料机构，所述导向架与料盒之间设有升降机构，所述机架靠近料盒的上表面设有用于检测晶圆键合强度的检测机构，所述机架靠近料盒相对两侧的外表面设有用于夹紧晶圆的夹紧机构。
9.作为本发明的进一步方案，所述检测机构包括固定安装于机架相对两侧上表面的支撑板，所述支撑板的外表面均匀插设有多根支撑杆，多根所述支撑杆贯穿支撑板的外表面并与其滑动安装，且多根支撑杆靠近料盒一端的端部固定安装有移动块，多根所述支撑杆的另一端固定安装有挡板，所述移动块相对两侧的外表面对称固定安装有两个支耳，两个所述支耳的外表面分别插设有两根导杆，两根所述导杆远离移动块的一端分别固定安装有两个连接块，两个所述连接块之间固定安装有刀架，所述刀架靠近料盒一侧的外表面设有刀片，所述刀架靠近刀片一侧的外表面固定安装有红外装置，所述移动块与料盒之间设有推动机构，所述机架与连接块之间设有限位机构，所述支撑杆的外表面设有复位组件，所述导杆的外表面设有缓冲组件。
10.作为本发明的进一步方案，所述推动机构包括对称固定安装于机架相对两侧外表面的两个支撑块，两个所述支撑块的外表面分别转动安装有两根转杆，两根所述转杆同端的相邻一侧外表面之间固定安装有推动杆，所述移动块靠近支撑块的外表面贯穿开设有斜槽，所述推动杆插设于斜槽的内部并与斜槽的内壁滑动安装，所述料盒靠近转杆远离推动杆一侧的外表面均匀固定安装有多个l形推钩。
11.作为本发明的进一步方案，所述复位组件包括套设于支撑杆外表面的复位弹簧，所述复位弹簧设置于支撑板与挡板之间。
12.作为本发明的进一步方案，所述缓冲组件包括套设于导杆外表面的缓冲弹簧，所述缓冲弹簧设置于支耳与连接块之间。
13.作为本发明的进一步方案，所述限位机构包括固定安装于机架相对两侧上表面的支架，所述支架靠近连接块的下表面固定安装有挡块。
14.作为本发明的进一步方案，所述夹紧机构包括固定安装于机架外表面的两根固定杆，两根所述固定杆的外表面滑动安装有移动板，所述移动板的外表面均匀插设有多根推杆，多根所述推杆贯穿移动板的外表面并与其滑动安装，且多根推杆靠近料盒的一端端部固定安装有夹块，所述夹块贯穿导向架的外表面并与其滑动安装，所述料盒靠近料槽的外表面均匀贯穿开设有多个矩形槽，所述移动块的相对两侧外表面对称固定安装有两根l形杆，两根所述l形杆远离移动块一端的下表面固定安装有推柱，所述移动板靠近导向架一侧的外表面固定安装有导向板，所述导向板的上表面贯穿开设有与推柱相匹配的导向槽，所述推柱与导向槽的内壁滑动安装，所述推杆的外表面套设有抵紧弹簧，所述抵紧弹簧设置于移动板与夹块之间，所述固定杆与推杆远离导向架的一端均固定安装有限位环。
15.作为本发明的进一步方案，所述卸料机构包括通过两根支撑轴转动安装于机架相对两侧内壁之间的两根传送辊，两根所述传送辊的外表面套设有传送带，且两根传送辊水平方向平行设置于机架的内部，所述机架的外表面固定安装有传送电机，所述传送电机的输出端贯穿机架的外表面并与其中一根支撑轴的端部固定安装。
16.作为本发明的进一步方案，所述升降机构包括贯穿开设于导向架背部的条形槽，所述料盒靠近条形槽一侧的外表面固定安装有升降块，所述升降块与条形槽的内壁滑动安装，所述导向架靠近条形槽上下两端的外表面分别固定安装有两个限位块，两个所述限位
块之间转动安装有升降螺杆，所述升降螺杆贯穿升降块的外表面并与其螺纹连接，靠近顶端的所述限位块的上表面固定安装有步进电机，所述步进电机的输出端贯穿限位块的下表面并与升降螺杆的顶端固定安装。
17.作为本发明的进一步方案，包括以下步骤：
18.s1：将若干待检测晶圆从下至上依次放入至料盒内壁开设的料槽内；
19.s2：通过升降机构带动料盒向下移动，直至刀片对准键合好的两片晶圆之间；
20.s3：在料盒向下移动的同时，刀片能够通过推动机构插入至待检测的两片晶圆之间，使键合好的两片晶圆之间产生缝隙，同时，利用红外装置对缝隙长度进行测量，并根据缝隙长度通过计算处理器进行计算，即可得出晶圆的键合强度；
21.s4：在对晶圆的键合强度检测完成后，通过升降机构继续带动料盒向下移动，使传送带将检测完的晶圆移出料盒，以便对检测完成后的晶圆进行收集。
22.本发明的有益效果为：
23.1.通过升降机构带动料盒向下移动的同时，固定安装于料盒侧边的l形推钩将通过推动机构将移动块向料盒的方向推动，使移动块能够通过导杆与缓冲弹簧将刀架向晶圆推动，使刀架上设置的刀片插入至键合好的两片晶圆之间，使键合好的两片晶圆之间产生缝隙，同时，利用红外装置对缝隙长度进行测量，并根据缝隙长度通过计算处理器进行计算，即可得出晶圆的键合强度，不需要检测人员手持刀片插入至键合好的两片晶圆之间，防止在使用刀片时划伤手指。
24.2.在移动块向料盒的方向移动时，对称固定安装于移动块两侧的l形杆将随之移动，使l形杆远离移动块一端下表面设置的推柱能够通过导向板上开设的导向槽将移动板向导向架的方向推动，使移动板能够通过抵紧弹簧将夹块向料盒的方向推动，使夹块夹紧晶圆的两侧，防止在插入刀片时晶圆产生移动，导致刀片难以插入至两片晶圆之间。
25.3.在对晶圆的键合强度检测完成后，通过升降机构继续带动料盒向下移动，使料盒上的l形推钩在越过转杆后，移动块能够在复位弹簧的弹力作用下复位，使刀片能够从两片晶圆中抽出，同时，两个夹块松开对晶圆的夹持，使晶圆能够跟随料盒向下移动，在料盒内放置在最下方的晶圆落至传送带上时，传送带将检测完的晶圆移出料盒，以便对检测完成后的晶圆进行收集。
附图说明
26.图1为本发明提出的一种晶圆键合强度测量装置的右视结构示意图；
27.图2为本发明提出的一种晶圆键合强度测量装置的左视结构示意图；
28.图3为本发明提出的一种晶圆键合强度测量装置的料盒结构示意图；
29.图4为本发明提出的一种晶圆键合强度测量装置的机架剖视结构示意图；
30.图5为本发明提出的一种晶圆键合强度测量装置的检测机构示意图；
31.图6为本发明提出的一种晶圆键合强度测量装置的夹紧机构示意图；
32.图7为图4中a处结构放大图；
33.图8为图7中b处结构放大图；
34.图9为本发明提出的一种晶圆键合强度测量装置的刀架结构示意图。
35.图中：1、机架；2、导向架；3、料盒；301、料槽；4、卸料机构；401、支撑轴；402、传送
辊；403、传送带；404、传送电机；5、升降机构；501、限位块；502、升降螺杆；503、升降块；504、条形槽；505、步进电机；6、检测机构；601、支撑板；602、支撑杆；603、移动块；604、支耳；605、导杆；606、刀架；607、连接块；608、刀片；609、红外装置；610、挡板；611、复位弹簧；612、缓冲弹簧；7、夹紧机构；701、固定杆；702、移动板；703、推杆；704、夹块；705、抵紧弹簧；706、导向板；707、导向槽；708、l形杆；709、推柱；710、矩形槽；711、限位环；8、限位机构；801、支架；802、挡块；9、推动机构；901、支撑块；902、转杆；903、推动杆；904、斜槽；905、l形推钩。
具体实施方式
36.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
37.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
38.实施例
39.参照图1-9，一种晶圆键合强度测量装置及测量方法，包括机架1，机架1为中空结构，机架1一端的顶部固定安装有导向架2，导向架2为c形结构，导向架2的内壁滑动安装有与其相匹配的料盒3，料盒3沿其高度方向的内壁均匀开设有多个与晶圆形状相匹配的料槽301，机架1位于料盒3下方的内部设有卸料机构4，导向架2与料盒3之间设有升降机构5，机架1靠近料盒3的上表面设有用于检测晶圆键合强度的检测机构6，机架1靠近料盒3相对两侧的外表面设有用于夹紧晶圆的夹紧机构7。
40.本实施例中，检测机构6包括固定安装于机架1相对两侧上表面的支撑板601，支撑板601的外表面均匀插设有多根支撑杆602，多根支撑杆602贯穿支撑板601的外表面并与其滑动安装，且多根支撑杆602靠近料盒3一端的端部固定安装有移动块603，多根支撑杆602的另一端固定安装有挡板610，移动块603相对两侧的外表面对称固定安装有两个支耳604，两个支耳604的外表面分别插设有两根导杆605，两根导杆605远离移动块603的一端分别固定安装有两个连接块607，两根导杆605与两根支撑杆602远离刀架606的一端均固定安装有挡圈，分别用于对导杆605用于支撑杆602进行限位，防止脱落，两个连接块607之间固定安装有刀架606，刀架606靠近料盒3一侧的外表面设有刀片608，刀架606上开设有与刀片608相匹配的安装槽，刀片608上下活动安装于安装槽内，并且安装槽位于刀片608下方的内部安装有弹性件，用于给刀片608提供一定的下移空间，同时能够辅助刀片608向上复位，在刀片608与两片晶圆的键合处相抵后，随着晶圆的继续下移，刀片608能够跟随晶圆的移动而产生轻微移动，使刀片608能够在移动块603与缓冲弹簧612的推力作用下插入至两片晶圆之间，在刀片608从两片晶圆之间抽出后，刀片608能够自动向上回到初始位置，以便对下一个晶圆进行检测，刀架606靠近刀片608一侧的外表面固定安装有红外装置609，红外装置609通过红外摄像头对两片晶圆之间的缝隙长度进行测量；移动块603与料盒3之间设有推动机构9，机架1与连接块607之间设有限位机构8，支撑杆602的外表面设有复位组件，导杆605的外表面设有缓冲组件。
41.本实施例中，推动机构9包括对称固定安装于机架1相对两侧外表面的两个支撑块901，两个支撑块901的外表面分别转动安装有两根转杆902，两根转杆902同端的相邻一侧外表面之间固定安装有推动杆903，移动块603靠近支撑块901的外表面贯穿开设有斜槽
904，推动杆903插设于斜槽904的内部并与斜槽904的内壁滑动安装，料盒3靠近转杆902远离推动杆903一侧的外表面均匀固定安装有多个l形推钩905。
42.在使用时，固定安装于料盒3侧边的l形推钩905将与转杆902远离推动杆903一端的外表面相抵，随着料盒3的继续移动，l形推钩905将对转杆902的一端施加向下的压力，使转杆902能够以支撑块901为转动中心进行转动，使转杆902另一端固定安装的推动杆903能够通过斜槽904将移动块603向料盒3的方向推动，使移动块603能够通过导杆605与缓冲弹簧612将刀架606向晶圆推动，使刀架606上设置的刀片608插入至键合好的两片晶圆之间，使键合好的两片晶圆之间产生缝隙，同时，利用红外装置609对缝隙长度进行测量，并根据缝隙长度通过计算处理器进行计算，即可得出晶圆的键合强度。
43.本实施例中，复位组件包括套设于支撑杆602外表面的复位弹簧611，复位弹簧611设置于支撑板601与挡板610之间，在料盒3上的l形推钩905越过转杆902后，移动块603能够在复位弹簧611的弹力作用下复位，使刀片608能够从两片晶圆中抽出。
44.本实施例中，缓冲组件包括套设于导杆605外表面的缓冲弹簧612，缓冲弹簧612设置于支耳604与连接块607之间，缓冲弹簧612用于传递移动块603对刀架606的推力。
45.在刀架606通过连接块607与挡块802相抵停止移动后，移动块603还在继续推动，通过将刀架606与移动块603进行活动连接，使得移动块603在继续移动时，刀架606与移动块603之间留有一定的活动空间。
46.本实施例中，限位机构8包括固定安装于机架1相对两侧上表面的支架801，支架801靠近连接块607的下表面固定安装有挡块802。
47.在使用时，支架801下表面固定安装的挡块802能够通过连接块607对刀架606进行阻挡，使刀架606在移动至挡块802处后能够停止继续移动，使刀片608插入至每组两片晶圆之间的深度相同，提高对晶圆键合强度检测的准确性。
48.本实施例中，夹紧机构7包括固定安装于机架1外表面的两根固定杆701，两根固定杆701的外表面滑动安装有移动板702，移动板702的外表面均匀插设有多根推杆703，多根推杆703贯穿移动板702的外表面并与其滑动安装，且多根推杆703靠近料盒3的一端端部固定安装有夹块704，夹块704贯穿导向架2的外表面并与其滑动安装，料盒3靠近料槽301的外表面均匀贯穿开设有多个矩形槽710，移动块603的相对两侧外表面对称固定安装有两根l形杆708，两根l形杆708远离移动块603一端的下表面固定安装有推柱709，移动板702靠近导向架2一侧的外表面固定安装有导向板706，导向板706的上表面贯穿开设有与推柱709相匹配的导向槽707，推柱709与导向槽707的内壁滑动安装，推杆703的外表面套设有抵紧弹簧705，抵紧弹簧705设置于移动板702与夹块704之间，固定杆701与推杆703远离导向架2的一端均固定安装有限位环711，限位环711用于对固定杆701与推杆703进行限位，防止固定杆701与推杆703发生脱落。
49.在移动块603向料盒3的方向移动时，对称固定安装于移动块603两侧的l形杆708随之移动，使l形杆708远离移动块603一端下表面设置的推柱709能够通过导向板706上开设的导向槽707将移动板702向导向架2的方向推动，使移动板702能够通过抵紧弹簧705将夹块704向料盒3的方向推动，使夹块704夹紧晶圆的两侧，防止在插入刀片608时晶圆产生移动，导致刀片608难以插入至两片晶圆之间。
50.本实施例中，卸料机构4包括通过两根支撑轴401转动安装于机架1相对两侧内壁
之间的两根传送辊402，传送辊402固定安装于支撑轴401的外表面，两根传送辊402的外表面套设有传送带403，且两根传送辊402水平方向平行设置于机架1的内部，机架1的外表面固定安装有传送电机404，传送电机404的输出端贯穿机架1的外表面并与其中一根支撑轴401的端部固定安装。
51.在使用时，传送电机404通过支撑轴401带动传送辊402转动，使套设于两根传送辊402上的传送带403对检测完成后的晶圆进行传送。
52.本实施例中，升降机构5包括贯穿开设于导向架2背部的条形槽504，料盒3靠近条形槽504一侧的外表面固定安装有升降块503，升降块503与条形槽504的内壁滑动安装，导向架2靠近条形槽504上下两端的外表面分别固定安装有两个限位块501，两个限位块501之间转动安装有升降螺杆502，升降螺杆502贯穿升降块503的外表面并与其螺纹连接，靠近顶端的限位块501的上表面固定安装有步进电机505，步进电机505的输出端贯穿限位块501的下表面并与升降螺杆502的顶端固定安装。
53.在使用时，通过步进电机505带动升降螺杆502转动，使升降螺杆502通过升降块503带动料盒3向下移动，以便依次对料盒3内放置的晶圆进行检测。
54.本实施例中，包括以下步骤：
55.s1：将若干待检测晶圆从下至上依次放入至料盒3内壁开设的料槽301内；
56.s2：通过升降机构5带动料盒3向下移动，直至刀片608对准键合好的两片晶圆之间；
57.s3：在料盒3向下移动的同时，刀片608能够通过推动机构9插入至待检测的两片晶圆之间，使键合好的两片晶圆之间产生缝隙，同时，利用红外装置609对缝隙长度进行测量，并根据缝隙长度通过计算处理器进行计算，即可得出晶圆的键合强度；
58.s4：在对晶圆的键合强度检测完成后，通过升降机构5继续带动料盒3向下移动，使传送带403将检测完的晶圆移出料盒3，以便对检测完成后的晶圆进行收集。
59.从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：在使用时，将键合好的待检测晶圆从下至上依次放入至料盒3内壁开设的料槽301内，通过升降机构5带动料盒3向下移动，使刀片608对准键合好的两片晶圆之间，在料盒3向下移动的同时，固定安装于料盒3侧边的l形推钩905将与转杆902远离推动杆903一端的外表面相抵，随着料盒3的继续移动，l形推钩905将对转杆902的一端施加向下的压力，使转杆902能够以支撑块901为转动中心进行转动，使转杆902另一端固定安装的推动杆903能够通过斜槽904将移动块603向料盒3的方向推动，使移动块603能够通过导杆605与缓冲弹簧612将刀架606向晶圆推动，使刀架606上设置的刀片608插入至键合好的两片晶圆之间，使键合好的两片晶圆之间产生缝隙，同时，利用红外装置609对缝隙长度进行测量，并根据缝隙长度通过计算处理器进行计算，即可得出晶圆的键合强度，不需要检测人员手持刀片608插入至键合好的两片晶圆之间，防止在使用刀片608时划伤手指。
60.在移动块603向料盒3的方向移动时，对称固定安装于移动块603两侧的l形杆708将随之移动，使l形杆708远离移动块603一端下表面设置的推柱709能够通过导向板706上开设的导向槽707将移动板702向导向架2的方向推动，使移动板702能够通过抵紧弹簧705将夹块704向料盒3的方向推动，使夹块704夹紧晶圆的两侧，防止在插入刀片608时晶圆产生移动，导致刀片608难以插入至两片晶圆之间。
61.在对晶圆的键合强度检测完成后，通过升降机构5继续带动料盒3向下移动，使料盒3上的l形推钩905在越过转杆902后，移动块603能够在复位弹簧611的弹力作用下复位，使刀片608能够从两片晶圆中抽出，同时，两个夹块704松开对晶圆的夹持，使晶圆能够跟随料盒3向下移动，在料盒3内放置在最下方的晶圆落至传送带403上时，传送带403将检测完的晶圆移出料盒3，以便对检测完成后的晶圆进行收集。
62.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
63.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本技术的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
64.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
65.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。