一种晶片键合过程中对准检测方法与流程

本发明属于mems芯片制造技术领域，尤其涉及一种晶片键合过程中对准检测方法。

背景技术：

mems传感器以其成本低、体积小、功耗低、可大规模生产等特点在国防、惯性导航、地震探测、工业、医疗、自动化以及消费电子等众多领域中获得了广泛的应用。

键合在微机械加工中有着广泛应用。它可以把相同的或不同的衬底、相同的或不同的元件以及衬底和元件永久地连结成一体。其中，晶圆键合技术是mems领域中一项关键技术，可实现多层不同功能的晶片堆叠连接，广泛应用在mems传感器、soi器件、电力电子器件以及真空微电子器件等领域。随着器件尺寸的减少，对准精度的要求越来越高。

现今的键合工艺步骤主要分为键合前对准固定与键合腔内键合。在键合对准固定后，一些特殊的晶片，由于上晶片为不透光晶片，对准后无法通过光学显微镜或红外显微镜进行对准偏差的实时监测，导致键合后对准偏差偏离要求范围，造成废片或合格率低，为了实现对过程的监控，因此亟需提供一种新型的键合对准检测方法来解决上述问题。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种晶片键合过程中对准检测方法，能够提高键合的合格率，适应性好。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种晶片键合过程中对准检测方法，包括如下步骤：

1)在上晶片非键合面制作上晶片辅助对准标记和上晶片主对准标记；

2)在下晶片键合面制作下晶片辅助对准标记和下晶片主对准标记；其中，上晶片主对准标记和下晶片主对准标记对准后，上晶片不遮挡下晶片辅助对准标记，下晶片主对准标记到下晶片辅助对准标记的距离大于上晶片主对准标记到上晶片辅助对准标记的距离；

3)首先，在对准设备上平台的下表面固定下晶片，下晶片键合面朝下放置，然后，在对准设备下平台的上表面固定上晶片，上晶片非键合面朝下放置；调整对准设备上平台和下平台之间的位置关系，将上晶片主对准标记与下晶片主对准标记对准；其中，上晶片键合面与下晶片键合面贴合；

4)利用显微镜测量，露出的下晶片辅助对准标记与上晶片辅助对准标记的横纵向位置偏差，根据横纵向位置偏差确定对准标记偏差。

所述上晶片为不透光的晶片，材料为单晶硅或金属，厚度取值范围为200～500μm。

上晶片主对准标记包括两个关于上晶片对称轴对称的标记；

下晶片主对准标记包括两个关于下晶片对称轴对称的标记。

上晶片辅助对准标记设置在上晶片下边界以上1000～2000μm，上晶片主对准标记的两个标记连线过上晶片中央位置。

下晶片辅助对准标记设置在下晶片下边界以上1000～2000μm，下晶片主对准标记设置在下晶片中央位置往上2000～3000μm。

步骤3)所述的对准为背面对准。

步骤4)所述显微镜为光学显微镜。

本发明与现有技术相比具有如下有益效果：

1)本发明中利用光学显微镜进行对准后的检测，避免不透光晶片对准夹持后无法观察上下晶片对准的问题；

2)利用本发明中的对准，可做出对准精度在2μm以内的器件，减少结构偏离带来的信号出错或支撑不足的问题；

3)利用本发明中的辅助对准标记对准，能有效减少键合后的废片率。

附图说明

图1是本发明实施例提供的上晶片非键合面的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的下晶片键合面的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的上下晶片对准后的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的上下晶片对准后坐标变换的结构示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明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。

本发明一种晶片键合过程中对准检测方法，包括如下步骤：

1)在上晶片非键合面113制作上晶片辅助对准标记111和上晶片主对准标记112；

2)在下晶片键合面213制作下晶片辅助对准标记211和下晶片主对准标记212；其中，上晶片主对准标记112和下晶片主对准标记212对准后，上晶片不遮挡下晶片辅助对准标记211，下晶片主对准标记212到下晶片辅助对准标记211的距离大于上晶片主对准标记112到上晶片辅助对准标记111的距离；

3)首先，在对准设备上平台的下表面固定下晶片，下晶片键合面213朝下放置，然后，在对准设备下平台的上表面固定上晶片，上晶片非键合面113朝下放置；调整对准设备上平台和下平台之间的位置关系，将上晶片主对准标记112与下晶片主对准标记212对准；其中，上晶片键合面与下晶片键合面213贴合；

4)利用显微镜测量，露出的下晶片辅助对准标记211与上晶片辅助对准标记111的横纵向位置偏差，根据横纵向位置偏差确定对准标记偏差，具体为：在显微镜下测量露出的下晶片辅助对准标记211与上晶片辅助对准标记111的横纵向的位置偏差，利用坐标变换计算出对准标记偏差。

5)若对准标记偏差满足使用要求，则将上晶片和下晶片键合处理；反之则调整对准设备上平台和下平台之间的位置关系，重复步骤3)～4)直至对准标记偏差满足使用要求，将上晶片和下晶片键合处理。

所述上晶片为不透光的晶片，材料为单晶硅或金属，厚度取值范围为200～500μm。

上晶片主对准标记112包括两个关于上晶片对称轴对称的标记，下晶片主对准标记212包括两个关于下晶片对称轴对称的标记。

上晶片辅助对准标记111设置在上晶片下边界114以上1000～2000μm，上晶片主对准标记112的两个标记连线过上晶片中央位置115。

下晶片辅助对准标记211设置在下晶片下边界214以上1000～2000μm，下晶片主对准标记212设置在下晶片中央位置215往上2000～3000μm。

步骤3)所述的对准为背面对准，步骤4)所述显微镜为光学显微镜。

实施例

本实施例提供了一种晶片键合过程中对准检测方法，该方法包括如下步骤：

1)上晶片对准单元包括上晶片辅助对准标记，上晶片主对准标记；其中，上晶片辅助对准标记和上晶片主对准标记位于上晶片非键合面；上晶片辅助对准标记设置在下边界以上1000～2000μm，上晶片主对准标记设置在晶片中央位置；

2)下晶片对准单元包括下晶片辅助对准标记，下晶片主对准标记；其中，下晶片辅助对准标记和下晶片主对准标记位于下晶片键合面；下晶片辅助对准标记设置在下边界以上1000～2000μm，下晶片主对准标记设置在晶片中央位置往上2000～3000μm；

3)在对准设备上先固定下晶片，键合面朝下放置，对齐下晶片主对准标记，再装载上晶片，非键合面朝下，利用上晶片主对准标记与下晶片主对准标记对准；其中，上晶片键合面与下晶片键合面贴合；上晶片与下晶片错开，下晶片辅助对准标记露出；

4)在显微镜下测量露出的下晶片辅助对准标记与上晶片辅助对准标记的横纵向的位置偏差，利用坐标变换计算出对准标记偏差。

在步骤1)中，上晶片为不透光的晶片，材料为单晶硅或金属，厚度为200～500μm；上晶片辅助对准标记设置在下边界以上1000～2000μm，上晶片主对准标记设置在晶片中央位置；所有对准标记均为左右对称分布。

在步骤2)中，下晶片辅助对准标记设置在下边界以上1000～2000μm，下晶片主对准标记设置在晶片中央位置往上2000～3000μm；所有对准标记均为左右对称分布。

如图1所示，上晶片辅助对准标记111和上晶片主对准标记112位于上晶片非键合面113，上晶片辅助对准标记111设置在上晶片下边界114以上1000～2000μm处；上晶片主对准标记112位于上晶片非键合面113，上晶片主对准标记112设置在上晶片中央位置115；所有对准标记均为左右对称分布；

如图2所示，下晶片辅助对准标记211位于下晶片键合面213，下晶片辅助对准标记211设置在下晶片下边界214以上1000～2000μm；下晶片主对准标记212位于下晶片键合面213；下晶片主对准标记212设置在下晶片中央位置215往上2000～3000μm；所有对准标记均为左右对称分布；

在对准设备上先固定下晶片，下晶片键合面213朝下放置，对齐下晶片主对准标记212，再装载上晶片，上晶片非键合面113朝下，利用上晶片主对准标记112与下晶片主对准标记212对准，如图3所示，上下晶片通过主对准标记对准；其中，上晶片键合面与下晶片键合面贴合；上晶片与下晶片错开，下晶片辅助对准标记211露出；

如图4所示，通过测量左侧下晶片辅助对准标记中心与左侧上晶片辅助对准标记中心、右侧下晶片辅助对准标记中心与右侧上晶片辅助对准标记中心的横纵向坐标偏差，计算出上下晶片主对准标记的实际偏差值。具体计算如下：

设定以下晶片中心点为原点的oxy坐标系311，以左侧下晶片辅助对准标记与右侧下晶片辅助对准标记中心点为原点的ox'y'坐标系312，以上晶片左右辅助对准标记中心点为原点的ox”y”坐标系313，以上晶片中心点为原点的ox”'y”'坐标系314，其中在oxy坐标系中左侧下晶片辅助对准标记中心点坐标为(-a，-b)，右侧下晶片辅助对准标记中心点坐标为(a，-b)，下晶片主对准标记坐标(-a2，b2)，(a2，b2)。在ox”'y”'坐标系中左侧上晶片辅助对准标记中心点坐标为(-a，-b)，右侧上晶片辅助对准标记中心点坐标为(a，-b)，上晶片主对准标记中心点坐标(-a2，0)，(a2，0)。

第一次坐标变换平行移轴，从oxy坐标系311到ox'y'坐标系312，原点变化为(x0,y0)＝(0,-b)，θ0＝0，根据坐标变换公式

以下晶片ox'y'坐标系312为基准，测量左侧下晶片辅助对准标记中心与左侧上晶片辅助对准标记中心、右侧下晶片辅助对准标记中心与右侧上晶片辅助对准标记中心的横纵向坐标偏差，左侧偏差记为(δx1，δy1)，右侧偏差记为(δx2，δy2)，则第二次坐标变换，从ox'y'坐标系312到ox”y”坐标系313，原点坐标变为(x'0,y'0)＝((δx1+δx2)/2,(δy1+δy2)/2)，

旋转角为θ′0＝arcsin((δy2-δy1)/(x2-x1))，根据坐标变换公式，有方程

第三次坐标变换平行移轴，从ox”y”坐标系313到ox”'y”'坐标系314，原点变化为(x0”,y0”)＝(0,b)，θ0”＝0，根据坐标变换公式

将ox”'y”'坐标系314中上晶片主对准标记坐标(-a2，0)，(a2，0)代入式(1)、(2)、(3)中进行计算，得出在oxy坐标系311中的坐标，与下对准点坐标(-a2，b2)，(a2，b2)对比偏差，得出上下对准点偏差。

如图1至图4所示，本实施例还提供了一种晶片键合过程中对准检测方法，包括：上晶片对准单元、下晶片对准单元；其中，

上晶片对准单元包括上晶片辅助对准标记，上晶片主对准标记；其中，上晶片辅助对准标记和上晶片主对准标记位于非键合面；上晶片辅助对准标记设置在下边界以上1000～2000μm，上晶片主对准标记设置在晶片中央位置；

下晶片对准单元包括下晶片辅助对准标记，下晶片主对准标记；其中，下晶片辅助对准标记和下晶片主对准标记位于键合面；下晶片辅助对准标记设置在下边界以上1000～2000μm，下晶片主对准标记设置在晶片中央位置往上2000～3000μm；

在对准设备上先固定下晶片，下晶片的键合面朝下放置，对齐下晶片主对准标记，再装载上晶片，上晶片的非键合面朝下，利用上晶片主对准标记112与下晶片主对准标记对准；其中，上晶片键合面与下晶片键合面贴合；上晶片与下晶片错开，下晶片辅助对准标记露出；

在显微镜下测量露出的下晶片辅助对准标记与上晶片辅助对准标记的横纵向的位置偏差，利用坐标变换计算出对准标记偏差。

本发明可提供更准确的事前对准检测方法，提高了键合产品的合格率。对偏移量进行合理的检测，偏差量大的晶片进行重复对准检测，可以提高对准精度，减少结构偏离带来的信号出错或支撑不足的问题。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

技术特征：

1.一种晶片键合过程中对准检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在上晶片非键合面(113)制作上晶片辅助对准标记(111)和上晶片主对准标记(112)；

2)在下晶片键合面(213)制作下晶片辅助对准标记(211)和下晶片主对准标记(212)；其中，上晶片主对准标记(112)和下晶片主对准标记(212)对准后，上晶片不遮挡下晶片辅助对准标记(211)，下晶片主对准标记(212)到下晶片辅助对准标记(211)的距离大于上晶片主对准标记(112)到上晶片辅助对准标记(111)的距离；

3)首先，在对准设备上平台的下表面固定下晶片，下晶片键合面(213)朝下放置，然后，在对准设备下平台的上表面固定上晶片，上晶片非键合面(113)朝下放置；调整对准设备上平台和下平台之间的位置关系，将上晶片主对准标记(112)与下晶片主对准标记(212)对准；其中，上晶片键合面与下晶片键合面(213)贴合；

4)利用显微镜测量，露出的下晶片辅助对准标记(211)与上晶片辅助对准标记(111)的横纵向位置偏差，根据横纵向位置偏差确定对准标记偏差。

2.根据权利要求1所述的一种晶片键合过程中对准检测方法，其特征在于：所述上晶片为不透光的晶片，材料为单晶硅或金属，厚度取值范围为200～500μm。

3.根据权利要求1或2所述的一种晶片键合过程中对准检测方法，其特征在于：上晶片主对准标记(112)包括两个关于上晶片对称轴对称的标记；

下晶片主对准标记(212)包括两个关于下晶片对称轴对称的标记。

4.根据权利要求3所述的一种晶片键合过程中对准检测方法，其特征在于：上晶片辅助对准标记(111)设置在上晶片下边界(114)以上1000～2000μm，上晶片主对准标记(112)的两个标记连线过上晶片中央位置(115)。

5.根据权利要求4所述的一种晶片键合过程中对准检测方法，其特征在于：下晶片辅助对准标记(211)设置在下晶片下边界(214)以上1000～2000μm，下晶片主对准标记(212)设置在下晶片中央位置(215)往上2000～3000μm。

6.根据权利要求5所述的一种晶片键合过程中对准检测方法，其特征在于：步骤3)所述的对准为背面对准。

7.根据权利要求5所述的一种晶片键合过程中对准检测方法，其特征在于：步骤4)所述显微镜为光学显微镜。

8.根据权利要求5所述的一种晶片键合过程中对准检测方法，其特征在于，步骤4)根据横纵向位置偏差确定对准标记偏差的方法，具体为：

在显微镜下测量露出的下晶片辅助对准标记(211)与上晶片辅助对准标记(111)的横纵向的位置偏差，利用坐标变换计算出对准标记偏差。

技术总结

本发明公开了一种晶片键合过程中对准检测方法，包括：在上晶片非键合面制作上晶片辅助对准标记和上晶片主对准标记；在下晶片键合面制作下晶片辅助对准标记和下晶片主对准标记；利用主对准标记进行上下晶片的对准后上下晶片错开，露出下晶片辅助对准标记，测量露出的下晶片辅助对准标记与上晶片辅助对准标记的横纵向的位置偏差，计算出对准标记偏差，合理控制对准偏差范围。本发明可以加工出对准精度高的敏感芯片，实现非透明晶片键合前对准的定量测试，本发明能确保芯片的质量和成品率。