12 吋晶圓接合模組熱固耦合模擬與驗證

晶圓接合平台架構介紹
晶圓接合設備，最基本功能在於提供了接合時所需的各項要素包含:接合溫度、壓力、真空度、氣體環境維持的機構系統，而最具挑戰的就是如何在複雜系統下，讓晶圓接合區域整體的溫度(升溫、持溫、降溫)偏差最小及壓力分佈均勻符合規範需求，並保持兩片晶圓的對位精度，以維持晶片生產良率[1,2]。因此，現階段設備在設計上都會導入模擬手法，來修正經驗法則上的偏差及材料選材上的差異。此外，現在的模擬工具也導入智能化設定，包含材料特性，溫度控制，環境設定等，當設定越完整在實體的表現與模擬的誤差也會越小，以下就由目前主流供應商的晶圓接合架構說起，並說明目前熱壓平台開發現況。
目前晶圓接合設備主要供應商(EVG &SUSS)的整機架構區分五大部分:1.壓力控制單元、2.溫度控制單元、3.晶片夾持單元、4.真空/氣氛控制單元、5.軟體控制單元。其設備主要可以使用6吋~8吋晶圓，也可依前述的接合方法搭配須要的功能模組。
壓力控制單元:主要依製程需求的壓合力來決定硬體的使用型式，一般使用氣壓或液壓做為媒介，藉由控制氣壓/液體壓力導入氣/液壓缸內產生推力，壓力控制方法上利用封閉迴路(close-loop)設計，如圖1所示為工研院開發熱壓接合設備之壓力控制迴路架構，將平台的感壓原件(load cell)受力後，由主控制器取得壓力訊號，輸出訊號至比例閥調整氣壓力，再藉由氣缸輸出推力，藉此達到穩定壓力控制，而為在300 mm的晶圓接合面上壓力能更均勻，機構上有設計壓力分散裝置(WEC機構)使單點柱塞壓力可以擴散到整面，進一步使用軟性石墨做為均溫及均壓的緩衝層。另外，設備中還有壓力傳遞板設計，主要是與晶圓直接接觸，這部分平板比需要求平板的平面度(Ra<0.05，平面度<5 um)，讓晶圓平整貼合，在材料選用上也必需考量高導熱性及基板膨脹係數相近的材料，例如鈦合金或是陶瓷材料做為乘載平板，減少熱膨脹造成的壓力偏差。
溫度控制單元:設備包含了上下兩組加熱器及上下兩組冷卻器，觀察300 mm加熱模組範圍內的均溫性，上下加熱模組均有對應的溫控器及溫度計，如同壓力控制也是採用封閉迴路控制，其加熱絲的配置上考慮晶片的升降機構及使用對稱形式設計，來達到較高均溫性，另外，加熱模組的材質選用及加熱加壓變形時的因應方法，也必須要考慮，在與加熱器廠商討論下，為有效達到大面機控溫，加熱絲的分配及溫度偵測點，工研院開發熱壓接合設備之加熱模組也由單一模組改成多模組形式，如圖2所示，再配合軟體修正各別溫控器，來達到升降溫曲線一致的效果。
晶片夾持單元:夾具的功用在於兩片晶圓對位後的固定裝置，必須保持兩片晶圓在進入接合裝置前，接合面不能產生接觸，接合後又不能產生偏差。因此，各家設備商均在晶圓夾持與間隙片的放置機構上有不同的設計方法，並佈局專利保護。設計上常見夾具與下壓力傳遞板會整合為一，如同前述壓力傳遞板與晶圓面接觸需要考慮要素相當多，如高平面度的基座，避免平面度影響晶圓貼合效果等，再加上需要在有限空間下放入固定及間隙片計構，還有溫度因素等，由此可見夾具的設計上也是相當繁瑣。