用于晶圆键合的键合夹具及采用其的键合设备和方法与流程

本申请涉及半导体器件，特别涉及用于晶圆键合的键合夹具及采用其的键合设备和方法。

背景技术：

1、集成门极换流晶闸管(igct)器件作为单管容量最大的全控型功率器件，因其容量大、开关速度快、开关损耗低及di/dt耐量高等优越性能，广泛应用于诸如直流输电、智能电网、电力变流器、电力逆变器等领域，前景广阔，未来发展空间巨大。

2、igct器件主要由gct元件以及与其引出电极相连的驱动电路板组成，其中，gct元件是igct器件的核心部件，gct元件主要由半导体芯片和封装管壳组成，封装管壳包括管壳底座、门极组件、阴极片、阳极片、管壳上盖等，其中，门极组件主要由垫片、弹性支撑件、绝缘座及门极引出环组成。

3、现有封装结构为阳极铜电极—阳极钼片—硅芯片—阴极钼片—阴极铜电极五层结构，通过机械压力刚性接触实现电气连接。随着igct器件功率等级的不断提升，对器件封装热阻提出了更高的要求。纳米银低温键合技术因其优异的传热性能，能够大幅降低器件的热阻，从而有希望应用于gct等功率器件的晶圆封装。

4、对比现有纳米银低温键合技术，其键合夹具存在的不足之处主要有：

5、1.现有键合夹具均为适用于小芯片工况，针对6英寸以上的大面积、晶圆键合没有成熟方案；

6、2.现有键合过程均在空气或者氮气氛围中，不具备甲酸还原功能，无法满足易氧化样品键合需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种新型的用于晶圆键合的键合夹具，实现了对晶圆定位并保护晶圆终端不受压力。

2、为了实现上述目的，作为本发明的第一个方面，提供了一种用于晶圆键合的键合夹具，所述晶圆的上表面和下表面分别具有对称的在边缘部分向上和向下延伸出的凸缘。所述键合夹具包括托盘、限位块、刚性垫块、挡板；晶圆设置在托盘上，待键合的阳极钼片位于托盘和晶圆之间；限位块设置在托盘上并在晶圆的径向对晶圆限位，托盘在晶圆的径向上对限位块限位，刚性垫块设置在晶圆的上表面上方，待键合的阴极钼片位于晶圆的上表面和刚性垫块之间，挡板设置为覆盖在限位块和晶圆的凸缘上方并在晶圆的径向上对刚性垫块限位，并且挡板与托盘可拆卸的连接，以便在竖直方向上进行限位。

3、优选地，托盘、限位块、刚性垫块和挡板均为大体圆柱状，托盘、限位块、刚性垫块和挡板的中心轴线与晶圆的中心轴线在同一条直线上。

4、优选地，晶圆的下表面的凸缘和限位块的下表面均与托盘的上表面接触，晶圆的上表面的凸缘和限位块的上表面处于同一高度。

5、优选地，限位块的中央部具有开孔，从而形成限位块的内壁，限位块的内壁与晶圆的侧壁接触。

6、优选地，刚性垫块包括基部和在基部上方的凸台，在晶圆的径向上凸台的尺寸小于基部的尺寸；基部设置在阴极钼片上方，基部的上表面与晶圆的上表面的凸缘处于同一高度，凸台的上表面略低于主体的上表面。

7、优选地，挡板包括主体、竖向壁和下凸缘，主体的中央部具有开孔，从而形成主体的内壁，主体的内壁与刚性垫块的凸台的侧壁接触；下凸缘的下表面与托盘接触，主体通过竖向壁与下凸缘连接为一体，竖向壁的朝向晶圆的内侧与限位块的外壁接触，下凸缘与托盘可拆卸的连接。

8、优选地，托盘在上表面上具有在边缘部分向上延伸出的凸部，凸部的上表面与挡板的下凸缘的下表面接触，凸部的朝向晶圆的壁部分与限位块的外壁接触。

9、优选地，所述键合夹具还包括弹性膜和压环；弹性膜的外形和尺寸设置为与挡板对应，以便弹性膜同时覆盖刚性垫块的凸台的上表面以及挡板的上表面；压环为环状，设置在挡板的下凸缘上方，以便与下凸缘和托盘的凸部可拆卸地连接，从而将弹性膜在边缘固定；压环的中心轴线、弹性膜的中心轴线与晶圆的中心轴线在同一条直线上。

10、优选地，弹性膜上设有通孔。

11、优选地，限位块设有流道和孔，流道设置在限位块内部，孔在限位块的径向设置为贯穿限位块，流道与孔连通。

12、根据本发明的另一方面，还提供了一种用于晶圆键合的键合设备，包括上述的键合夹具和压头，压头包括上下两个压头，键合夹具设置在压头之间。

13、优选地，上端的压头包括刚性框架与弹性体。

14、优选地，刚性框架呈凹槽状，弹性体设置在凹槽内。

15、优选地，弹性体安装在刚性框架内并稍延伸出刚性框架。

16、根据本发明的在一方面，还提供一种晶圆键合的方法，所述方法使用上述的键合设备，所述方法包括：步骤1，将上端的压头进行预热；步骤2，将限位块设置在托盘上；步骤3，安装待键合的阳极钼片与晶圆，以便限位块在晶圆的径向上进行限位；步骤4，将待键合的阴极钼片安装在晶圆上方；步骤5，将刚性垫块安装在阴极钼片上方；步骤6，安装挡板，以便在晶圆的径向上对刚性垫块进行限位；步骤7，安装弹性膜；步骤8，安装压环，将压环、挡板可拆卸地连接至托盘，固定弹性膜，以在竖向上进行限位；步骤9，将键合夹具安装在键合设备内，位于压头之间；步骤10，将还原气氛在预热与键合过程通入键合夹具，进行键合操作。

17、基于上述技术方案可知，本发明的相对于现有技术至少具有如下有益效果之一。

18、(1)优化了键合夹具，并满足晶圆键合需求；

19、(2)提出弹性体结构，提高键合良率；

20、(3)具有流道设计，满足还原气氛通入需求，提高键合质量。

21、本申请的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本申请而了解。本申请的其他优点可通过在说明书以及附图中所描述的方案来实现和获得。

技术特征：

1.一种用于晶圆(102)键合的键合夹具(100)，所述晶圆(102)的上表面(107)和下表面(108)分别具有对称的在边缘部分向上和向下延伸出的凸缘(106)，其特征在于，所述键合夹具(100)包括托盘(1)、限位块(2)、刚性垫块(3)、挡板(4)；晶圆(102)设置在托盘(1)上，待键合的阳极钼片(109)位于托盘(1)和晶圆(102)之间；

2.根据权利要求1所述的键合夹具(100)，其特征在于，

3.根据权利要求2所述的键合夹具(100)，其特征在于，

4.根据权利要求2所述的键合夹具(100)，其特征在于，

5.根据权利要求2所述的键合夹具(100)，其特征在于，

6.根据权利要求5所述的键合夹具(100)，其特征在于，

7.根据权利要求6所述的键合夹具(100)，其特征在于，

8.根据权利要求7所述的键合夹具(100)，其特征在于，

9.根据权利要求8所述的键合夹具(100)，其特征在于，

10.根据权利要求1所述的键合夹具(100)，其特征在于，

11.一种用于晶圆(102)键合的键合设备(101)，其特征在于，包括权利要求1至10中任一项所述的键合夹具(100)和压头(103)，压头(103)包括上下两个压头(103)，键合夹具(100)设置在压头(103)之间。

12.根据权利要求11所述的键合设备(101)，其特征在于，

13.根据权利要求12所述的键合设备(101)，其特征在于，

14.根据权利要求12所述的键合设备(101)，其特征在于，

15.一种晶圆(102)键合的方法，其特征在于，所述方法使用权利要求11至13中任一项所述的键合设备(101)，所述方法包括：

技术总结一种用于晶圆键合的键合夹具及采用其的键合设备和方法，属于半导体器件技术领域。所述用于晶圆(102)键合的键合夹具(100)包括托盘(1)、限位块(2)、刚性垫块(3)和挡板(4)；通过所述键合夹具(100)实现对晶圆进行径向和竖向的定位。通过本发明的键合夹具(100)、键合设备(101)及使用键合设备(101)进行晶圆键合的方法，实现定位晶圆位置并保护晶圆终端不受压力。技术研发人员：王亮,魏晓光,唐新灵,石浩,韩荣刚,代安琪,王耀华,张红丹,赵晓亮,于克凡受保护的技术使用者：北京怀柔实验室技术研发日：技术公布日：2024/10/10