晶圓鍵合臺溫度均勻性提升研究

摘要：為提升集成電路用晶圓鍵合臺的溫度均勻性，以當前主流的200 mm晶圓鍵合臺為研究對象，開展了鍵合臺升溫實驗，建立并驗證了鍵合過程三維熱量傳遞數值模型，研究了鍵合臺內部溫度形成與分布規律，提出了能夠顯著提升鍵合臺溫度均勻性的簡便有效策略。結果表明：加熱盤內部加熱絲纏繞的非中心對稱分布引起鍵合臺工作面溫度的不均勻分布，在不考慮上、下加熱盤高低溫區匹配的情況下，工作面整體溫度均勻性為3.2%，徑向溫度均勻性為1.1℃；對上或下加熱盤進行旋轉，使得兩個加熱盤的高低溫區分布形成空間補償，可大幅提升鍵合臺溫度均勻性；在將上加熱盤逆時針匹配旋轉50°后，鍵合臺工作面的整體溫度均勻性達到1.3%，徑向溫度均勻性達到0.3℃。該研究有助于深入認識晶圓鍵合臺內部的熱量傳遞與溫度分布規律，對于鍵合臺的精細設計和鍵合工藝水平的提升具有參考意義。

關鍵詞：集成電路；晶圓鍵合臺；溫度均勻性；數值模擬

中圖分類號：TK124；TN433 文獻標志碼：A

DOI：10.7652/xjtuxb202411011 文章編號：0253-987X（2024）11-0119-09

Research on Improving Temperature Uniformity of Wafer Bonding Platforms

XU Xingyu¹，LI Zaoyang¹，SHI Ruijing¹，LUO Jinping¹，WANG Chengjun²，LI Anhua²，XUE Zhiping²，ZHANG Hui³，ZHANG Hui³

（1. School of Energy and Power Engineering，Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049，China；2. The 2nd Research Institute of CETC，Taiyuan 030024，China；3. School of Mechanical Engineering，Southeast University，Nanjing 211189，China）

Abstract：To enhance the temperature uniformity of wafer bonding platforms for integrated circuits，the mainstream 200 mm wafer bonding platform is selected as the subject of research，and heating experiments are conducted on this platform. A three-dimensional heat transfer numerical model of the bonding process is developed and validated to study the temperature formation and distribution within the bonding platform. A simple and effective strategy is proposed to significantly improve the temperature uniformity of the bonding platform. The research findings reveal that the non-centrally symmetrical distribution of heating wires wound inside the heating plate leads to uneven temperature distribution on the working surface of the bonding platform. Without considering the alignment of high and low-temperature zones of the upper and lower heating plates，the overall temperature uniformity of the working surface is 3.2%，with a radial temperature uniformity of 1.1℃. Rotating either the upper or lower heating plate provides spatial compensation for the distribution of high and low-temperature zones of the two heating plates，resulting in a substantial enhancement in the temperature uniformity of the bonding platform. Following a 50° counterclockwise rotation of the upper heating plate，the overall temperature uniformity of the working surface of the bonding platform achieves 1.3%，with the radial temperature uniformity reaching 0.3℃. This research contributes to a deeper comprehension of heat transfer and temperature distribution within the wafer bonding platform，which is of reference significance to the fine design of bonding platforms and the improvement of the bonding processes.

Keywords：integrated circuit；wafer bonding table；temperature uniformity；numerical simulation

在摩爾定律的引導下，集成電路行業一直高速發展，晶體管特征尺寸已經從100 nm縮小到亞1 nm^［1-2］。隨著晶體管柵極長度日益接近物理極限，量子效應和短溝道效應越來越嚴重^［3］，內部電子自發地通過源極和漏極，導致漏電流增加，進而限制了晶體管的進一步縮小^［4-6］。以功能多樣化為特征的三維異質異構晶圓鍵合技術是超越摩爾定律的一條重要途徑^［7-8］，該技術在微電子制造、微機電系統封裝、多功能芯片集成以及其他新興領域具有廣泛的應用前景^［9］。晶圓鍵合是將晶圓或芯片在垂直于平面方向上進行堆疊^［10］，不同器件或硬件的復雜集成，都要以晶圓鍵合技術為基礎^［11-12］。目前晶圓鍵合技術發展存在的挑戰主要有晶圓對準精度、鍵合完整性以及溫度和壓力均勻性控制等^［13］。其中，鍵合溫度均勻性對晶圓鍵合工藝具有重要影響。

鍵合臺是完成晶圓鍵合工藝的重要裝備，溫度均勻性是體現其工作性能的核心指標^［14-15］。以硅-硅直接鍵合為例，對于直徑200 mm的晶圓，溫度每提升100℃導致晶圓沿徑向膨脹32 μm，這就要求鍵合臺有足夠高的徑向溫度均勻性^［16］。同時，為了保證鍵合工藝的一致性，對鍵合臺整體溫度均勻性也有很高的要求。當前，德國蘇斯公司所研制的XBS200晶圓鍵合臺可以在最高550℃的條件下實現溫度均勻性低于1%^［17］，奧地利易偉杰公司所研制的EVG501晶圓鍵合系統可以在最高450℃的條件下實現溫度均勻性低于1%^［18］，國內研制的熱壓鍵合設備可以在最高550℃的條件下實現溫度均勻性低于1.5%^［19］。總體而言，在鍵合臺的溫度均勻性方面，我國與國際先進水平仍有一定差距。

提升晶圓鍵合臺溫度均勻性需要從結構、材料、工藝等多個方面考慮。傳統的試驗研究存在加工和試錯成本高昂、周期漫長等缺點。相比之下，采用計算傳熱學的方法建立鍵合臺全三維熱量傳遞數值模型，研究溫度均勻性的影響因素及作用規律，對于提高鍵合臺溫度均勻性、縮短產品研發周期、降低開發成本具有重要意義。在傳統加熱裝備的研究開發過程中，已經廣泛采用數值模擬方法研究溫度場的分布及其變化規律^［20-23］，但在晶圓鍵合臺的溫度均勻性設計中尚未使用。這主要是由于鍵合臺強三維特征、復雜的結構及熱量傳遞過程，使得準確描述鍵合過程中溫度分布均勻性存在困難。

本文針對當前主流的200 mm晶圓鍵合臺，通過升溫實驗測量獲得工作面監測點溫度分布，以此為依據建立并驗證鍵合臺全三維熱量傳遞數值模型；采用該模型計算分析鍵合臺溫度分布的形成規律，對溫度分布均勻性進行定量評估，分析導致鍵合臺溫度均勻性不佳的原因，進而提出能夠顯著提升鍵合臺溫度均勻性的簡便有效方法。

1 晶圓鍵合臺工作原理及升溫實驗

圖1所示為本研究采用的200 mm晶圓鍵合臺的內部結構示意圖。可以發現，該晶圓鍵合臺主要由殼體、加熱系統和兩者之間的真空腔室組成。殼體由不銹鋼材質構成，加熱系統由上、下兩個金屬加熱盤構成，加熱絲嵌套在加熱盤內部，從中心向四周呈渦狀線分布，真空腔室位于殼體和加熱盤之間，工作時內部壓強為10^－6 Pa。鍵合過程中，將晶圓放置于上、下加熱盤相互貼合的直徑略大于200 mm的工作面上，通過一定的升溫加壓工藝完成鍵合。鍵合過程中對溫度均勻性的要求主要體現在工作面整體溫度均勻性以及徑向溫度均勻性^［24］。

為了獲得晶圓鍵合臺工作面溫度均勻性的分布狀況，并為后續數值模型的建立提供驗證依據，在圖1所示的晶圓鍵合臺上開展了升溫實驗。實驗過程中，上下加熱盤內部的控溫點以10℃/min的速率升溫并在150～450℃之間每隔50℃恒定一段時間，以使鍵合臺溫度達到穩定。在工作面選取8個監測點，采用TC-Wafer熱電偶進行溫度測量。圖2所示為8個測溫點的位置分布圖，可以發現，1號測點位于工作面的中心，2～5號測點分布于半徑50 mm 的圓周上，6、7、8號測點分布于半徑85 mm的圓周上。

圖3所示為升溫實驗過程中，工作面各測點溫度隨時間的變化曲線。可以發現，監測點溫度與控溫點溫度變化呈現一致的規律，即升溫過程中在150～450℃之間每隔50℃實現了溫度的相對恒定。從圖3中局部放大圖可以發現，在恒溫階段各測點溫度比較穩定，例如，1號測點溫度相對比較高，而7號測點溫度則始終比較低，這說明此時鍵合臺工作面溫度分布已達到了相對穩定狀態，能夠為數值模型的驗證提供很好的對比依據。考慮到鍵合臺工作面溫度均勻性隨溫度升高有變差的趨勢，后續將著重以最高溫度450℃的工況進行詳細分析。

圖4為恒溫450℃工況下工作面8個測點的溫度分布，對應于圖3中210 min時的情況。可以發現，最高溫度位于非中心位置的測點5，為449.6℃；最低溫度位于邊緣位置的測點7，為441.3℃；兩者的差值為8.3℃，8個測點的平均溫度為446.2℃。定義整體溫度均勻性表達式如下

式中：T_uni為整體溫度均勻性；T_H為最高溫度；T_L為最低溫度；T_ave為平均溫度。計算可得，8個測點的溫度均勻性為1.9%。

通過上述分析可以發現，當前的晶圓鍵合臺在加熱升溫過程中，工作面溫度分布呈現明顯的不均勻，半徑85 mm范圍內8個測點的溫度均勻性為1.9%，當拓展到直徑略大于200 mm的工作面范圍時，溫度不均勻性將進一步加劇，這與國際先進水平有一定差距^［25］。同時發現，工作面最高溫度并非位于圓心位置，這也意味著由中心到邊緣沿各個方向的徑向溫度分布是不一致的，這將導致鍵合升溫過程中晶圓沿各個方向膨脹不一致、鍵合工藝一致性差。另外，采用上述實驗方法測量工作面的溫度分布時，只能獲得有限測點位置的溫度，無法獲得整個工作面的溫度分布并進行評價。因此，開展晶圓鍵合臺三維熱量傳遞數值建模與模擬研究，實現鍵合臺整體溫度分布的可視化，這對于闡明工作面溫度分布規律、提升溫度均勻性具有重要作用。

2 數值模型的建立與驗證

晶圓鍵合臺的結構如圖1所示。在加熱升溫過程中，鍵合臺內部上、下金屬加熱盤和殼體內部的熱量以傳導方式進行，真空腔室內部壓強接近真空，流動非常微弱，腔室各可見壁面間的熱量則以輻射的方式進行。描述晶圓鍵合臺內部熱量傳遞的主要控制方程有

式中：ρ為密度；t為時間；u為速度矢量；c_p為比定壓熱容；T為溫度；λ為導熱系數；S_Q為熱量源項；q（x）為空間每個輻射微元凈輻射熱流；T（x）為空間每個輻射微元表面溫度；ε（x）為表面發射率；x和x^*為輻射表面微元；dS^*為表面微元x^*的面積；σ_SB為斯特藩-玻爾茲曼常數，取值5.67×10^-8 W/（m²·K⁴）；K（x，x^*）為輻射表面微元x與x^*之間的可見因子，如果x與x^*之間不可見，則K（x，x^*）為0；n為輻射表面單位法向量。

為了求解上述控制方程，需采用合理的邊界條件。根據晶圓鍵合臺工作時所處的環境條件，在鍵合臺不銹鋼外壁面采用對流輻射混合邊界條件，對流換熱系數為5 W/（m²·K） ^［26］，表面發射率為0.28，環境溫度為300 K。計算過程中同時給上、下加熱絲添加功率以模擬加熱升溫穩定狀態，使得工作面最高溫度達到450℃。

為了提高計算效率與精度，本文采用六面體對晶圓鍵合臺進行網格劃分。加熱絲結構纖細且加熱盤結構復雜，故針對這兩個部件進行了計算網格加密。網格數影響計算效率和結果的準確性，本文以工作面最高溫度為對比參數進行網格無關性驗證，結果如表1所示。可以發現，當網格數采用410萬及以上時，工作面的最高溫度近似相同，而當網格數采用410萬以下時，工作面最高溫度隨網格數變化波動較大。考慮到網格數過大會導致計算時間較長，本文最終選用410萬網格進行計算分析。圖5所示為計算網格劃分圖，為了更清晰地展示晶圓鍵合臺內部各層間的位置關系，對真空腔室的網格進行了隱藏。

采用上述建立的數值模型，模擬計算了晶圓鍵合臺內部的溫度分布，并著重分析了前述實驗測量中8個測點位置的溫度，如圖6所示。可以發現，模擬結果中工作面最高溫度為測點5處的449.3℃，最低溫度為測點7處的441.4℃，兩者差值為7.9℃，8個測點的平均溫度為446.4℃，根據式（1）計算可得溫度均勻性為1.8%，與實驗測量結果非常吻合。將圖4實驗測量溫度和圖6模擬計算溫度進行對比，結果見圖7。可以發現，兩者測點溫度隨測點序號的變化趨勢一致，且各測點處兩者溫度非常接近，最大溫差在測點2處，僅為1.1℃。上述分析表明，本文所建立的三維熱量傳遞數值模型，能夠準確描述晶圓鍵合臺內部的熱量傳遞過程及溫度分布規律，其計算結果是準確可靠的。因此，該數值模型可以用來研究并發現導致晶圓鍵合臺溫度不均勻分布的原因，并為提升溫度均勻性提供科學依據。

3 晶圓鍵合臺溫度形成規律

采用上述建立并經過實驗驗證的晶圓鍵合臺三維熱量傳遞數值模型，詳細計算分析了晶圓鍵合臺內部的溫度形成與分布規律。圖8所示為鍵合臺縱向剖面的溫度分布圖。可以發現，在縱向剖面上整個加熱盤沿徑向的溫度分布呈現中間稍低、向外升高進而降低的趨勢，工作面處的徑向溫度變化明顯、溫差較大。四周溫度低的主要原因是此處輻射散熱除了通過上、下表面進行外，還可以通過圓周方向的曲面進行，而中心區域則只能通過上下表面散熱。

圖9所示為圖8中工作面的溫度分布情況，其中圖9（a）為溫度分布云圖。可以發現，高溫位于工作面的右下區域，低溫位于工作面的外圍，在左上邊緣尤為突出。整個工作面最高溫度為450.0℃，最低溫度為435.6℃，溫差為14.4℃，平均溫度為444.7℃，根據式（1）計算得工作面的整體溫度均勻性為3.2%，明顯大于圖6所示8個測點的溫度均勻性1.8%。鑒于整個工作面溫度分布呈現明顯的非中心對稱，從圖9（a）中取出與x軸正方向夾角分別為0°、90°、180°、270°共4個徑向方向上的溫度，繪制成圖9（b）。可以發現4個方向中心與邊緣的溫差分別為9.9、10.4、11.0、8.1℃。定義徑向溫度均勻性表達式為

式中：T_R為徑向溫度均勻性；T_C為工作面的徑向中心溫度；T_E為徑向邊緣溫度；σ為標準差。由式（5）可得，徑向溫度均勻性為1.1℃。

圖9中晶圓鍵合臺工作面溫度分布是正常工作狀態下同時開啟上、下兩個加熱盤時形成的。為了尋找導致溫度分布不均勻的原因，現分別模擬獲得上、下加熱盤單獨加熱時工作面的溫度分布，如圖10所示。可以發現，只開啟上加熱盤加熱時，高溫區位于工作面的右側區域，低溫區位于工作面的左側區域；只開啟下加熱盤加熱時，高溫區位于工作面的左下區域，低溫區位于工作面的右上區域。這表明上、下加熱盤單獨加熱時工作面溫度已經表現出了明顯的不均勻分布，而導致單盤加熱溫度不均勻分布的主要原因是加熱盤內部加熱絲纏繞的非中心對稱分布。根據第1節中描述可知，加熱絲嵌套在加熱盤內部，從中心向四周呈渦狀線分布，這使得加熱絲從中心到邊緣難以呈現完美的中心對稱分布，導致工作面總會出現有的區域溫度高，有的區域溫度低。在上、下單個加熱盤的影響下，兩盤共同加熱時則出現了圖9所示的高溫區位于工作面右下區域的現象，正好位于兩個單盤加熱時各自高溫區的重疊位置。因此，在難以克服上、下加熱盤單獨加熱存在溫度分布不均勻的情況下，可以調整兩個加熱盤的周向相對位置，使兩者的高溫與低溫區域在空間上相互補償，以此提升工作面的溫度分布均勻性。

4 晶圓鍵合臺溫度均勻性提升

為了改善上、下加熱盤同時加熱時工作面的溫度分布均勻性，需要設法消除工作面上產生的高溫區和低溫區。由圖10可知，可以將上加熱盤或下加熱盤進行旋轉，避免單獨上加熱盤加熱和單獨下加熱盤加熱時的高溫區和低溫區出現在相鄰區域，從而改善溫度均勻性。在圖10（a）和圖10（b）中，上、下加熱盤單獨加熱時工作面高溫區分別位于xoy坐標系的20°方向和250°方向，兩者夾角為230°。將上加熱盤逆時針旋轉50°可使兩個高溫區域位于工作面圓心的兩側并使夾角為180°。此時低溫區也位于工作面圓心的兩側，這在空間上就形成了相互補償關系。

針對上加熱盤旋轉后的改進模型進行三維數值建模。為了保證結果具有可比性，改進模型的網格參數和邊界條件均與原始模型相同。圖11（a）所示為改進模型縱向剖面溫度分布，與圖8對比可以發現，在縱剖面上整個加熱盤沿徑向的溫度分布呈現中間高、四周低的趨勢，工作面處的徑向溫差減小。圖11（b）所示為改進模型工作面的溫度云圖，可以發現工作面溫度呈現中間高、四周低的趨勢，避免了圖9中的高溫區偏心分布的現象。在圖11（b）中，整個工作面最高溫度為449.8℃，最低溫度為444.2℃，溫差為5.6℃，平均溫度為447.5℃，根據式（1）計算的溫度均勻性為1.3%，明顯優于圖9（a）中的3.2%。圖12（a）為改進模型工作面的8個測點溫度分布情況，其中最高溫度為測點1處的449.7℃，最低溫度為測點7處的446.0℃，溫差為3.7℃；8個測點的平均溫度為448.1℃，溫度均勻性為0.8%，優于圖6中原始模型的1.8%。從圖11（b）中取出與x軸正方向夾角分別為0°、90°、180°、270°共4個徑向方向上的溫度，繪制成圖12（b）。可以發現4個方向中心與邊緣的溫差分別為4.8、4.4、5.3、4.6℃。根據式（5），可得徑向溫度均勻性為0.3℃，遠小于圖9（b）中的1.1℃。

對于旋轉匹配上、下加熱盤前后溫度均勻性的數據對比如表2所示。可以發現，對于加熱盤內部加熱絲纏繞引起的溫度不均勻分布的缺陷，可以通過上、下加熱盤的空間匹配，大幅提升工作面的整體溫度均勻性與徑向溫度均勻性。除了工作面外，其他平面溫度均勻性也大幅提升，如表2中工作面向上8.5 mm平面處的溫度均勻性由3.8%改進到1.5%，向下8.5 mm平面處的溫度均勻性由3.5%改進到1.7%。這對于提升各部件高溫熱膨脹均勻性、保障升溫鍵合過程中晶圓膨脹變形均勻、鍵合工藝一致具有重要意義。

在實際操作中，晶圓鍵合臺上的螺孔和螺栓位置通常是固定的，因此，在現有設備上通過旋轉匹配上、下加熱盤以提高溫度均勻性不便實施。根據溫度均勻性的計算公式，除旋轉匹配上、下加熱盤外，還可以通過提高工作面的最低溫度來提高溫度均勻性，而最低溫度主要出現在工作面的邊緣區域。故可以通過改變加熱絲纏繞方式、在工作面邊緣布置保溫層、使用導熱系數更大的材料等措施來提高工作面邊緣區域的溫度，進而提高工作面溫度均勻性，這些策略將在后續工作中進行研究。

5 結 論

本文針對集成電路行業晶圓鍵合技術使用的鍵合臺的溫度均勻性開展研究，建立了晶圓鍵合臺三維熱量傳遞數值模型，開展了鍵合臺升溫實驗進行模型驗證，以此為基礎研究了鍵合臺內部溫度的形成與分布規律，提出了能夠顯著提升鍵合臺溫度均勻性的簡便有效技術方案，主要結論如下。

（1）建立了晶圓鍵合臺三維熱量傳遞數值模型，模擬獲得鍵合臺工作面8個監測點溫度均勻性為1.8%，與實驗測量的1.9%十分吻合，兩者對應測點溫度非常接近、最大溫差僅為1.1℃。上述表明所建立的數值模型是準確可靠的，能夠用來研究晶圓鍵合過程中的熱量傳遞與溫度分布規律。

（2）闡明了鍵合臺內部溫度形成與分布規律，在不考慮鍵合臺上下加熱盤高低溫區匹配的情況下，單個加熱盤內部加熱絲纏繞的非中心對稱分布引起溫度分布的不均勻，此時鍵合臺工作面溫度分布呈現中間稍低、向外升高進而降低的趨勢，徑向溫度變化明顯、溫差較大，整個工作面溫度均勻性為3.2%、徑向溫度均勻性為1.1℃。

（3）提出了顯著提升鍵合臺溫度均勻性的簡便有效策略，具體操作為將上下加熱盤進行旋轉匹配，使得單獨上加熱盤加熱和單獨下加熱盤加熱時的高溫區和低溫區形成空間匹配，從而改善溫度均勻性。在本研究的結構中，將上加熱盤逆時針旋轉50°后，整個工作面的溫度均勻性達到1.3%，徑向溫度均勻性達到0.3℃。工作面溫度均勻性的大幅提升對于保障鍵合過程中晶圓膨脹變形均勻、鍵合工藝一致具有重要意義。

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（編輯 亢列梅）