芯片键合对准装置及形成方法、晶圆键合结构及形成方法与流程

本发明涉及半导体，具体涉及一种芯片键合对准装置、芯片键合对准装置的形成方法、晶圆键合结构以及晶圆键合结构的形成方法。

背景技术：

1、电子集成封装是半导体集成工艺的重要环节。其中，传统的电子封装技术主要以2d堆叠为主，即，电子元器件平铺安装在pcb基板表面，这样的2d堆叠的芯片在性能、数量、运行速度等方面都有较大的局限性。

2、随着超越摩尔定律的发展、堆叠层数的增加以及不同衬底不同功能芯片的堆叠需求的出现，晶圆直接键合技术已不能满足未来需求，为了实现上述需求，晶圆上芯片（dieon wafer）的技术得到发展。

3、目前主流的工艺手段是半导体后端封装工艺的微凸点（micro bump）技术，但其最小重复单元尺寸限制于锡球的大小（目前最小仅仅做到约40um 左右），因此该技术的线路互连数量有限（带宽小）且互连电阻大（锡球高度）。为了增加带宽减少互联电阻需要将小芯片直接堆叠到晶圆上并实现小尺寸高精度的金属导通，由此引出了的前端晶圆上芯片（dieon wafer）的研发。

4、近年来，晶圆上芯片（die on wafer）集成方式通过将不同大小的芯片（die）通过混合键合（hybrid bond）的方式集成在目标晶圆上，可使其在三维方向堆叠的密度更大，并且大大改善芯片速度和功耗。在键合对准过程中是采用光学镜头分别读取并对准芯片和目标晶圆上的对准标记，然后进行键合。现有工艺中方案有两种：方案一：将芯片和目标晶圆的正面相对设置，芯片间隔预定的高度设置在晶圆的上方，光学镜头移动至两者之间进行读取定位，然后移除光学镜头再进行键合；方案二：将光学镜头固定不动，机械臂拾取芯片对准镜头，而目标晶圆stage移动对准镜头，获取两者定位信息后再经过计算将芯片和目标晶圆转移至另一个位置键合。

5、然而，前述的晶圆上芯片（die on wafer）的集成方式中，方案一中会有增加掉落颗粒物的风险；方案二中引入对准后会容易产生多余的移动误差导致对准精度下降。芯片与晶圆的对准精度仍有较大的提升空间，同时前述两种对准键合方案的效率较低，在对准键合的速率上还有待提升。

技术实现思路

1、本发明解决的技术问题是，提供一种芯片键合对准装置及其形成方法、晶圆键合结构及其形成方法，提高了芯片与晶圆键合过程中的对准精度，降低了对准难度，提升了键合集成工艺的效率。

2、为解决上述技术问题，本发明的技术方案提供一种芯片键合对准装置的形成方法，其特征在于，包括:

3、提供复数个相互分立的芯片结构；

4、提供一目标晶圆；

5、提供第一平行横梁，将所述第一平行横梁置于所述目标晶圆的上方且平行于所述目标晶圆所处平面；

6、在所述第一平行横梁的一端设置一第一互对准单元，在所述第一平行横梁另一端设置一对准吸附单元；

7、提供第二平行横梁，将所述第二平行横梁置于所述目标晶圆的下方且平行于所述目标晶圆所处平面；

8、在所述第二平行横梁的一端设置一第二互对准单元，在所述第二平行横梁另一端设置一透射对准单元；

9、所述第一平行横梁与所述第二平行横梁在横梁延伸的方向上互相平行设置，所述第一互对准单元与所述第二互对准单元相互对齐，所述对准吸附单元与所述透射对准单元相互对齐，且所述第一互对准单元与所述对准吸附单元之间的间距等于所述第二互对准单元与所述透射对准单元之间的间距。

10、可选的，所述芯片键合对准装置的形成方法还包括：所述第一互对准单元和所述第二互对准单元为光学对准镜头。

11、可选的，所述芯片键合对准装置的形成方法还包括：所述对准吸附单元包括一光学对准镜头、以及一真空吸附吸头。

12、可选的，所述芯片键合对准装置的形成方法还包括：所述透射对准单元为红外透射对准镜头。

13、可选的，所述芯片键合对准装置的形成方法还包括：在所述芯片的正面设置键合对准标记，在所述目标晶圆的正面设置键合对准标记。

14、可选的，所述芯片键合对准装置的形成方法还包括：在所述芯片的背面设置激光对准标记，所述芯片背面的激光对准标记的图形面积大于所述芯片正面的键合对准标记的图形面积。

15、可选的，所述芯片键合对准装置的形成方法还包括：设置一组与所述第一平行横梁及第二平行横梁镜像对称的第三平行横梁及第四平行横梁。

16、相应的，本发明的技术方案还提供一种芯片键合对准装置，其特征在于，包括:

17、复数个相互分立的芯片结构；

18、一目标晶圆；

19、第一平行横梁，所述第一平行横梁置于所述目标晶圆的上方且平行于所述目标晶圆所处平面；

20、在所述第一平行横梁的一端设置有一第一互对准单元，在所述第一平行横梁另一端设置有一对准吸附单元；

21、第二平行横梁，所述第二平行横梁置于所述目标晶圆的下方且平行于所述目标晶圆所处平面；

22、在所述第二平行横梁的一端设置有一第二互对准单元，在所述第二平行横梁另一端设置有一透射对准单元；

23、所述第一平行横梁与所述第二平行横梁在横梁延伸的方向上互相平行设置，所述第一互对准单元与所述第二互对准单元相互对齐，所述对准吸附单元与所述透射对准单元相互对齐，且所述第一互对准单元与所述对准吸附单元之间的间距等于所述第二互对准单元与所述透射对准单元之间的间距。

24、可选的，所述芯片键合对准装置还包括：所述第一互对准单元和所述第二互对准单元为光学对准镜头。

25、可选的，所述芯片键合对准装置还包括：所述对准吸附单元包括一光学对准镜头、以及一真空吸附吸头。

26、可选的，所述芯片键合对准装置还包括：所述透射对准单元为红外透射对准镜头。

27、可选的，所述芯片键合对准装置还包括：在所述芯片的正面设置有键合对准标记，在所述目标晶圆的正面设置有键合对准标记。

28、可选的，所述芯片键合对准装置还包括：在所述芯片的背面设置有激光对准标记，所述芯片背面的激光对准标记的图形面积大于所述芯片正面的键合对准标记的图形面积。

29、可选的，所述芯片键合对准装置还包括：一组与所述第一平行横梁及第二平行横梁镜像对称的第三平行横梁及第四平行横梁。

30、本发明的技术方案提供一种晶圆键合结构的形成方法，其特征在于，包括：

31、提供复数个相互分立的芯片结构，在所述芯片的背面形成激光对准标记；

32、提供一目标晶圆，在所述目标晶圆的正面形成键合对准标记；

33、提供芯片键合对准装置，所述芯片键合对准装置包括：第一平行横梁，所述第一平行横梁置于所述目标晶圆的上方且平行于所述目标晶圆所处平面；在所述第一平行横梁的一端设置有一第一互对准单元，在所述第一平行横梁另一端设置有一对准吸附单元；第二平行横梁，所述第二平行横梁置于所述目标晶圆的下方且平行于所述目标晶圆所处平面；在所述第二平行横梁的一端设置有一第二互对准单元，在所述第二平行横梁另一端设置有一透射对准单元；所述第一平行横梁与所述第二平行横梁在横梁延伸的方向上互相平行设置，所述第一互对准单元与所述第二互对准单元相互对齐，所述对准吸附单元与所述透射对准单元相互对齐，且所述第一互对准单元与所述对准吸附单元之间的间距等于所述第二互对准单元与所述透射对准单元之间的间距；

34、移动所述第一平行横梁，将所述对准吸附单元对准所述芯片背面的激光对准标记且提起一所述芯片结构；

35、移动所述第二平行横梁，将所述透射对准单元对准所述目标晶圆正面的键合对准标记；

36、移动所述第一平行横梁，将所述第一互对准单元与所述第二互对准单元相互对准；

37、将所述芯片的正面朝向所述目标晶圆的正面进行键合，使芯片结构与目标晶圆电连接。

38、可选的，所述晶圆键合结构的形成方法还包括：所述第一互对准单元和所述第二互对准单元为光学对准镜头。

39、可选的，所述晶圆键合结构的形成方法还包括：所述对准吸附单元包括一光学对准镜头、以及一真空吸附吸头。

40、可选的，所述晶圆键合结构的形成方法还包括：所述透射对准单元为红外透射对准镜头。

41、可选的，所述晶圆键合结构的形成方法还包括：在所述芯片的正面设置键合对准标记，所述芯片背面的激光对准标记的图形面积大于所述芯片正面的键合对准标记的图形面积。

42、可选的，所述晶圆键合结构的形成方法还包括：所述透射对准单元对键合后的芯片结构进行精度测量，计算偏差并补偿下一次的对准键合。

43、可选的，所述晶圆键合结构的形成方法还包括：设置一组与所述第一平行横梁及第二平行横梁镜像对称的第三平行横梁及第四平行横梁。

44、相应的，本发明的技术方案还提供一种晶圆键合结构，其特征在于，包括：

45、复数个相互分立的芯片结构，在所述芯片的背面设置有激光对准标记；

46、一目标晶圆；

47、采用前述的晶圆键合结构的形成方法将所述芯片结构与所述目标晶圆的进行键合，使芯片结构与目标晶圆电连接。

48、与现有技术相比，本发明实施例的技术方案具有以下有益效果：

49、本发明的技术方案提供的芯片键合对准装置及其形成方法中，提供复数个相互分立的芯片结构；提供一目标晶圆；提供第一平行横梁，将所述第一平行横梁置于所述目标晶圆的上方且平行于所述目标晶圆所处平面；在所述第一平行横梁的一端设置一第一互对准单元，在所述第一平行横梁另一端设置一对准吸附单元；提供第二平行横梁，将所述第二平行横梁置于所述目标晶圆的下方且平行于所述目标晶圆所处平面；在所述第二平行横梁的一端设置一第二互对准单元，在所述第二平行横梁另一端设置一透射对准单元；所述第一平行横梁与所述第二平行横梁在横梁延伸的方向上互相平行设置，所述第一互对准单元与所述第二互对准单元相互对齐，所述对准吸附单元与所述透射对准单元相互对齐，且所述第一互对准单元与所述对准吸附单元之间的间距等于所述第二互对准单元与所述透射对准单元之间的间距。在此小芯片转移至目标晶圆的技术方案中，关键结构为互相平行的上下两个平行横梁，其两端各有光学对准单元，利用平行传递精度的原理，当左侧一端的光学对准单元对准时候，对准精度会传递到右侧一端的光学对准单元，不但减少了芯片之间的移动造成的颗粒物掉落的风险，还优化了对准工艺，提高了对准精度，降低了对准耗时，增加了对准键合的速率，有利于晶圆键合结构的量产。

50、进一步的，在所述芯片的正面设置键合对准标记，在所述目标晶圆的正面设置键合对准标记，在所述芯片的背面设置激光对准标记，所述芯片背面的激光对准标记的图形面积大于所述芯片正面的键合对准标记的图形面积。在传统工艺中，芯片的对准标记设置在芯片的正面，由于芯片正面的可利用空间有限，正面对准标记的图形面积一般较小。本发明的技术方案将传统的芯片的正面对准标记转移至芯片的背面，可利用空间大大增加，背面激光对准标记的图形面积可进一步放大，甚至可放大至整个小芯片的面积大小，可大大改善光学对准镜头识别小芯片的难易度和速度，提高了对准精度，降低了对准耗时，增加了对准键合的速率，有利于晶圆键合结构的量产。

51、进一步的，还可设置一组与所述第一平行横梁及第二平行横梁镜像对称的第三平行横梁及第四平行横梁，可以分别从晶圆的两侧同时进行芯片键合工艺，可进一步提升对准键合的速率，有利于晶圆键合结构的量产。

52、本发明的技术方案提供的晶圆键合结构及其形成方法中，提供复数个相互分立的芯片结构，在所述芯片的背面形成激光对准标记；提供一目标晶圆，在所述目标晶圆的正面形成键合对准标记；提供芯片键合对准装置，所述芯片键合对准装置包括：第一平行横梁，所述第一平行横梁置于所述目标晶圆的上方且平行于所述目标晶圆所处平面；在所述第一平行横梁的一端设置有一第一互对准单元，在所述第一平行横梁另一端设置有一对准吸附单元；第二平行横梁，所述第二平行横梁置于所述目标晶圆的下方且平行于所述目标晶圆所处平面；在所述第二平行横梁的一端设置有一第二互对准单元，在所述第二平行横梁另一端设置有一透射对准单元；所述第一平行横梁与所述第二平行横梁在横梁延伸的方向上互相平行设置，所述第一互对准单元与所述第二互对准单元相互对齐，所述对准吸附单元与所述透射对准单元相互对齐，且所述第一互对准单元与所述对准吸附单元之间的间距等于所述第二互对准单元与所述透射对准单元之间的间距；移动所述第一平行横梁，将所述对准吸附单元对准所述芯片背面的激光对准标记且提起一所述芯片结构；移动所述第二平行横梁，将所述透射对准单元对准所述目标晶圆正面的键合对准标记；移动所述第一平行横梁，将所述第一互对准单元与所述第二互对准单元相互对准；将所述芯片的正面朝向所述目标晶圆的正面进行键合，使芯片结构与目标晶圆电连接。在此小芯片转移至目标晶圆的技术方案中，关键结构为互相平行的上下两个平行横梁，其两端各有光学对准单元，利用平行传递精度的原理，当左侧一端的光学对准单元对准时候，对准精度会传递到右侧一端的光学对准单元，不但减少了芯片之间的移动造成的颗粒物掉落的风险，还优化了对准工艺，提高了对准精度，降低了对准耗时，增加了对准键合的速率，有利于晶圆键合结构的量产。

53、进一步的，在所述芯片的正面设置键合对准标记，在所述目标晶圆的正面设置键合对准标记，在所述芯片的背面设置激光对准标记，所述芯片背面的激光对准标记的图形面积大于所述芯片正面的键合对准标记的图形面积。在传统工艺中，芯片的对准标记设置在芯片的正面，由于芯片正面的可利用空间有限，正面对准标记的图形面积一般较小。本发明的技术方案将传统的芯片的正面对准标记转移至芯片的背面，可利用空间大大增加，背面激光对准标记的图形面积可进一步放大，甚至可放大至整个小芯片的面积大小，可大大改善光学对准镜头识别小芯片的难易度和速度，提高了对准精度，降低了对准耗时，增加了对准键合的速率，有利于晶圆键合结构的量产。

54、进一步的，所述透射对准单元对键合后的芯片结构进行精度测量，计算偏差并补偿下一次的对准键合。引入精度偏差补偿方案，进一步提高了芯片键合工艺的对准精度。

55、进一步的，还可设置一组与所述第一平行横梁及第二平行横梁镜像对称的第三平行横梁及第四平行横梁，可以分别从晶圆的两侧同时进行芯片键合工艺，可进一步提升对准键合的速率，有利于晶圆键合结构的量产。