一种实验用晶圆键合装置及方法

本发明涉及晶圆加工，尤其涉及一种实验用晶圆键合装置及方法。

背景技术：

1、晶圆键合是指通过化学和物理作用将两块已镜面抛光的同质或异质的晶片紧密地结合起来，晶片接合后，界面的原子受到外力的作用而产生反应形成共价键结合成一体，并使接合界面达到特定的键合强度。

2、晶圆表面等离子体活化是一种表面处理技术，用于改善晶圆表面的化学性质以便于后续的工艺步骤。该技术通过使用等离子体来激活晶圆表面，使其更容易与其他晶圆键合。

3、当今，许多地方的实验条件受到限制，特别是在实验室设施方面。建立千级和百级清洁室的成本相当高昂，这使得许多实验室难以负担。许多研究者不得不在不太理想的环境下进行晶圆键合实验，然而，对于晶圆键合类实验来说，环境的清洁度对实验结果产生着巨大的影响，在这些实验中，即使微小的杂质或粒子都可能对晶圆的键合过程产生不利影响，从而导致实验结果不尽如人意。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提出了一种实验用晶圆键合装置及方法，用来解决在缺乏理想清洁室设施的情况下，如何提高晶圆键合实验的可靠性和准确性的问题。

2、本发明的技术方案是这样实现的：

3、第一方面，本发明提供了一种实验用晶圆键合装置，包括等离子活化设备及实验装置；

4、所述实验装置包括本体、密封组件及工位切换组件，所述本体表面开设有安装腔，用于安装实验晶圆，所述工位切换组件设置于安装腔中，具有可切换的第一工位和第二工位，第一工位配置为使实验晶圆处于离子活化工位，第二工位配置为使实验晶圆处于键合工位，密封组件设置在本体上，可在无线控制作用下打开或封闭安装腔；

5、所述等离子活化设备具有工作腔，用于容纳所述实验装置，可在真空环境下对处于敞开状态下的安装腔内的实验晶圆进行表面活化处理。

6、在上述技术方案的基础上，优选的，所述密封组件包括密封盖、旋转电机、电池及无线模块，所述旋转电机、电池及无线模块均固定设置于本体上，所述旋转电机分别与电池及无线模块电性连接，密封盖水平设置于本体顶面，所述旋转电机用于驱使密封盖水平旋转以封闭或打开安装腔，所述无线模块用于和远程控制终端通讯连接。

7、进一步，优选的，所述安装腔开口处固定设置有密封件。

8、在上述技术方案的基础上，优选的，所述密封盖上固定设置有橡胶塞，用于在密封盖封闭安装腔时，供装有去离子水的注射器刺穿橡胶塞对表面活化处理后的实验晶圆进行清洗。

9、在上述技术方案的基础上，优选的，所述工位切换组件包括第一载料块、第二载料块、第一驱动单元及第二驱动单元，所述第一载料块和第二载料块平行间隔设置在安装腔内底面，第一载料块和第二载料块相对的一面分别用于安装实验晶圆，第一载料块远离第二载料块的一面与第一驱动单元相连接，第二载料块远离第一载料块的一面与第二驱动单元相连接，第一驱动单元用于驱使第一载料块翻转或平移，第二驱动单元用于驱使第二载料块翻转或平移。

10、进一步，优选的，所述第一驱动单元和第二驱动单元结构相同，其中第一驱动单元包括旋转杆、推动杆及连接座，所述连接座固定设置于第一载料块远离实验晶圆安装面的一侧，推动杆的一端位于安装腔内，另一端活动穿过本体外侧，推动杆与第一载料块长度方向垂直，推动杆位于安装腔的一端与连接座转动连接，旋转杆的一端位于安装腔内，另一端活动穿过本体外侧，旋转杆与推动杆垂直，旋转杆位于安装腔的一端与连接座可拆卸连接，且旋转杆可驱使连接座及第一载料块相对于推动杆的端部进行翻转。

11、在上述技术方案的基础上，优选的，所述第一载料块远离第一驱动单元的一面固定设置有第一定位部，所述第二载料块远离第二驱动单元的一面固定设置有与第一定位部位置对应的第二定位部，所述第一定位部和第二定位部分别用于对实验晶圆进行位置定位。

12、进一步，优选的，所述第一载料块及第二载料块与安装腔内底面相接触的一面之间设置有相互连接的定位凸起和定位凹槽。

13、优选的，所述本体上开设有供旋转杆及推动杆穿过的活动通道，所述旋转杆及推动杆与活动通道之间均设置有动密封件。

14、第二方面，本发明公开了一种实验用晶圆键合方法，其利用了第一方面所述的实验用晶圆键合装置，其特征在于，包括步骤如下：

15、s1、将两块实验晶圆分别竖直固定在第一载料块和第二载料块相对的一面，通过第一驱动单元驱使第一载料块翻转使第一载料块上的实验晶圆处于水平状态，通过第二驱动单元驱使第二载料块翻转使第二载料块上的实验晶圆处于水平状态；

16、s2、将实验装置放置于等离子活化设备中，并使本体上的安装腔处于打开状态；

17、s3、通过等离子活化设备设定真空环境，并对安装腔内的实验晶圆进行表面活化处理；

18、s4、当实验晶圆表面等离子活化处理完成后，无线控制旋转电机旋转，使密封盖封闭安装腔；

19、s5、将实验装置从等离子活化设备中取出，通过装有去离子水的注射器刺穿密封盖上的橡胶塞对安装腔内的实验晶圆进行清洗；

20、s6、清洗完成后，通过第一驱动单元驱使第一载料块翻转，第二驱动单元驱使第二载料块翻转，确保第一载料块和第二载料块上的实验晶圆呈竖直相对设置；

21、s7、再通过第一驱动单元驱动第一载料块平移，第二驱动单元驱动第二载料块平移，使第一载料块和第二载料块上的实验晶圆接触键合。

22、本发明相对于现有技术具有以下有益效果：

23、(1)本发明公开的实验用晶圆键合装置，通过等离子活化设备及实验装置的结合使用，即使在非理想的环境中，也能大大提高晶圆键合过程的可靠性和准确性。尤其是在等离子体活化后，通过无线控制的密封组件迅速封闭安装腔，可以在活化的晶圆表面尚未暴露于外界环境之前，就将其封闭保护起来，大大减少了表面再次污染的可能性，提高键合的成功率和界面质量。

24、(2)通过在密封盖上设计橡胶塞，使得在晶圆表面活化处理后，可以直接在密封环境中进行去离子水清洗，而无需将晶圆移出实验装置。这样的结构设置减少了晶圆在处理过程中的搬运，降低了由于搬运引起的污染风险。同时，可以保证晶圆在键合前具有高质量的表面状态，提高晶圆键合的成功率和表面质量，从而能够对晶圆键合实验进行有效的把控。

25、(3)通过内置的驱动单元控制载料块的翻转或平移，晶圆可以在一个封闭的环境中进行移动，减小了在移动过程中受到污染或损坏的风险。由于载料块可以进行翻转或平移，该装置能够适应不同的实验流程，为实验晶圆表面活化、键合实验提供了灵活性。

26、(4)本发明通过在密封的安装腔内进行晶圆的等离子活化处理和清洗，以及利用精确控制的翻转和平移机械装置来对准晶圆，解决了缺乏理想清洁室设施下，提高晶圆键合实验的可靠性和准确性的问题。这种方法减少了外部环境的污染风险，确保了晶圆表面的清洁和活化，从而在非理想的清洁条件下也能实现高质量的晶圆键合。

技术特征：

1.一种实验用晶圆键合装置，其特征在于，包括等离子活化设备(1)及实验装置(2)；

2.如权利要求1所述的实验用晶圆键合装置，其特征在于：所述密封组件(22)包括密封盖(221)、旋转电机(222)、电池(223)及无线模块(224)，所述旋转电机(222)、电池(223)及无线模块(224)均固定设置于本体(21)上，所述旋转电机(222)分别与电池(223)及无线模块(224)电性连接，密封盖(221)水平设置于本体(21)顶面，所述旋转电机(222)用于驱使密封盖(221)水平旋转以封闭或打开安装腔(211)，所述无线模块(224)用于和远程控制终端通讯连接。

3.如权利要求2所述的实验用晶圆键合装置，其特征在于：所述安装腔(211)开口处固定设置有密封件(s1)。

4.如权利要求2所述的实验用晶圆键合装置，其特征在于：所述密封盖(221)上固定设置有橡胶塞(2210)，用于在密封盖(221)封闭安装腔(211)时，供装有去离子水的注射器(q)刺穿橡胶塞(2210)对表面活化处理后的实验晶圆(p)进行清洗。

5.如权利要求4所述的实验用晶圆键合装置，其特征在于：所述工位切换组件(23)包括第一载料块(231)、第二载料块(232)、第一驱动单元(233)及第二驱动单元(234)，所述第一载料块(231)和第二载料块(232)平行间隔设置在安装腔(211)内底面，第一载料块(231)和第二载料块(232)相对的一面分别用于安装实验晶圆(p)，第一载料块(231)远离第二载料块(232)的一面与第一驱动单元(233)相连接，第二载料块(232)远离第一载料块(231)的一面与第二驱动单元(234)相连接，第一驱动单元(233)用于驱使第一载料块(231)翻转或平移，第二驱动单元(234)用于驱使第二载料块(232)翻转或平移。

6.如权利要求5所述的实验用晶圆键合装置，其特征在于：所述第一驱动单元(233)和第二驱动单元(234)结构相同，其中第一驱动单元(233)包括旋转杆(2331)、推动杆(2332)及连接座(2333)，所述连接座(2333)固定设置于第一载料块(231)远离实验晶圆(p)安装面的一侧，推动杆(2332)的一端位于安装腔(211)内，另一端活动穿过本体(21)外侧，推动杆(2332)与第一载料块(231)长度方向垂直，推动杆(2332)位于安装腔(211)的一端与连接座(2333)转动连接，旋转杆(2331)的一端位于安装腔(211)内，另一端活动穿过本体(21)外侧，旋转杆(2331)与推动杆(2332)垂直，旋转杆(2331)位于安装腔(211)的一端与连接座(2333)可拆卸连接，且旋转杆(2331)可驱使连接座(2333)及第一载料块(231)相对于推动杆(2332)的端部进行翻转。

7.如权利要求6所述的实验用晶圆键合装置，其特征在于：所述第一载料块(231)远离第一驱动单元(233)的一面固定设置有第一定位部(2311)，所述第二载料块(232)远离第二驱动单元(234)的一面固定设置有与第一定位部(2311)位置对应的第二定位部(2321)，所述第一定位部(2311)和第二定位部(2321)分别用于对实验晶圆(p)进行位置定位。

8.如权利要求6或7所述的实验用晶圆键合装置，其特征在于：所述第一载料块(231)及第二载料块(232)与安装腔(211)内底面相接触的一面之间设置有相互连接的定位凸起(d1)和定位凹槽(d2)。

9.如权利要求6所述的实验用晶圆键合装置，其特征在于：所述本体(21)上开设有供旋转杆(2331)及推动杆(2332)穿过的活动通道(212)，所述旋转杆(2331)及推动杆(2332)与活动通道(212)之间均设置有动密封件。

10.一种实验用晶圆键合方法，利用了如权利要求5至9任一项所述的实验用晶圆键合装置，其特征在于，包括步骤如下：

技术总结
本发明提出了一种实验用晶圆键合装置及方法，涉及晶圆加工领域，包括等离子活化设备及实验装置；实验装置包括本体、密封组件及工位切换组件，本体上具有用于安装实验晶圆安装腔，工位切换组件设置于安装腔中，具有可切换的第一工位和第二工位，第一工位为离子活化工位，第二工位为键合工位，密封组件设置在本体上，可通过无线控制打开或封闭安装腔；等离子活化设备具有工作腔，用于容纳实验装置，可在真空环境下对安装腔内的实验晶圆进行表面活化处理。本发明解决了缺乏理想清洁室设施下，提高晶圆键合实验的可靠性和准确性的问题，减少了外部环境的污染风险，确保了晶圆表面的活化和键合，从而在非理想的清洁条件下也能实现高质量的晶圆键合。

技术研发人员：郭敏,龚怡,李俊升,吴硕,徐康,李寒,付港
受保护的技术使用者：武汉理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/7/18