CN100573821C - 一种短波长光辅助硅片直接键合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于晶圆键合技术，为一种短波长光辅助硅片直接键合方法，其步骤包括：①清洗；②氧化性氨溶液活化；③将硅片用短波长光继续辅助活化，活化后取出；短波长光的波长范围为100～400nm，短波长光照射光强为5～30mW/cm2，活化时间为0.5～30分钟；④预键合；⑤退火。经过短波长光辅助活化处理后的键合硅片对结合紧密，无需外压力作用就能实现硅硅直接键合。本发明所需设备简单，键合速度快，键合周期短，键合面积大，键合温度低，且在键合强度及键合可靠性上具有明显优势。
Description
技术领域
本发明属于晶圆键合技术，具体涉及一种短波长光辅助硅片直接键合方法。
背景技术
圆片直接键合(Wafer Direct Bonding，WDB)是两圆片经表面清洗和活化处理，在室温下直接贴合，再经过热处理使之结合的技术。使用WDB技术，不仅可以制备SOI(Silicon on Insulator)，硅薄膜材料，还可以用于高集成度的圆片级封装和制造光波导等。
目前圆片直接键合主要的研究包括了疏水键合和亲水键合。疏水键合的原理是在键合界面悬挂H和F，生成的Si-H和Si-F通过氢键作用形成Si-F...H-Si，高温退火后形成Si-Si共价键实现键合。亲水键合则是在硅片表面形成大量悬挂的-OH，贴合后界面的Si-OH通过氢键的桥连和-OH之间的脱水反应形成Si-O-Si共价键，实现硅片之间的键合。为了提高亲水键合表面活性，需在表面形成大量悬挂的-OH。日前，国内外学者对于表面活化提出了许多方法，主要包括湿化学法和干法表面处理。湿化学法的优点在于可以批量对硅片进行表面处理，其过程可与IC工艺兼容，成本低，缺点是活化过程比较繁杂。对于干法表面处理，使用等离子法可以获得较高的表面能，活化效果好，但等离子法设备要求高，成本昂贵，对器件表面也可能造成伤害。
发明内容
本发明的目的在于提供一种短波长光辅助硅片直接键合方法，该方法可以提高键合强度高，所需设备简单。
本发明提供的短波长光辅助硅片直接键合方法，其步骤包括：
(1)将待键合的硅片进行清洗；
(2)将清洗后的硅片进行氧化性氨溶液活化，活化后取出；
(3)将氧化性氨溶液活化后的硅片用短波长光继续辅助活化，活化后取出；
(4)将短波长光辅助活化后的硅片甩干，快速贴合，使之预键合；
(5)进行加热退火，使贴合后的硅片键合。
本发明经过短波长光辐射活化处理后的硅片结合紧密，无需外压力作用就能实现硅硅直接键合。该方法将湿化学法活化与干法活化结合，具有以下优点：(1)该方法在常温常压的环境中进行，是一种非接触式的干法清洗技术；(2)短波长光能够深入材料表面细微的部位，发生光敏氧化反应，生成可挥发性气体，可彻底去除表面微小颗粒，不会造成二次污染；(3)短波长光光辐射改质不会造成晶体缺陷；(4)设备简单，成本低廉，活化时间短；(5)对于硅以外其它材料，如III-V族元素、玻璃等也具有很好的辅助键合效果。通过控制合适的光照时间可以获得较高的强度，同时，对键合好的硅片进行了恒温恒湿和高低温交变循环处理，试验后硅片仍能保持较高的键合强度。因此，该工艺对于改进圆片直接键合是行之有效的。总之，本发明方法可以实现较高质量的键合，键合强度高，可靠性好，所需设备简单，键合速度快，键合周期短，键合面积大，键合温度低，且在键合强度及键合可靠性上具有明显优势。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图；
图2为短波长光光照3分钟预键合红外图像；
图3为短波长光光照3分钟后断裂界面；
图4为短波长光光照3分钟后键合中间过渡层形貌；
具体实施方式
下面结构附图和实例对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明提供的短波长光辅助硅片直接键合方法，其步骤包括：
(1)将待键合的硅片进行清洗
硅片清洗可以采用常规的流程进行，也可以采用下述优选过程：
(1.1)使用丙酮将待键合的硅片超声清洗3～20分钟；
(1.2)再使用氢氟酸溶液超声清洗3～10分钟，氢氟酸溶液质量百分数为1％～20％；
(1.3)然后在硫酸与双氧水混合溶液中清冼，H2SO4、水与H2O2的质量比为H2SO4∶H2O∶H2O2＝5.5～22∶2.4～2.8∶1。
(2)将清洗后的硅片进行氧化性氨溶液活化，活化后取出；
氧化性氨溶液活化可以采用常规流程进行，其优选方式为：
所述氧化性氨溶液活化步骤中，氧化性氨溶液为氨水、H2O2和水的混合溶液，各组分质量比NH4OH∶H2O∶H2O2＝0.7～2.1∶13～37∶1。
(3)短波长光光照活化步骤，将常规活化后的硅片用短波长光继续辅助活化，活化后取出；
所述短波长光活化步骤中，短波长光的波长范围100～400nm，短波长光照射光强约为5～30mW/cm2，活化时间0.5～30分钟。
(4)预键合步骤，将短波长光辅助活化后的硅片甩干，快速贴合，使之预键合；
(5)退火步骤，利用退火炉加热退火，使贴合后的硅片键合。
退火的优化参数范围为：退火温度100～400℃，退火时间5～30小时。
实施例1：
1、清洗样片：将待键合样片浸泡于丙酮(质量百分数99.5％)中，超声清洗5分钟，再置于HF溶液(质量百分数5％)中超声清洗5分钟，然后在硫酸与双氧水溶液(质量比为H2SO4∶H2O∶H2O2＝5.5∶2.5∶1)中在130℃下煮沸20分钟；
2、氧化性氨溶液活化：将硅片置于氧化性氨溶液(质量比NH4OH∶H2O∶H2O2＝0.7∶19∶1)中浸泡10分钟，控制温度在70℃；
3、短波长光光照活化：将待键合样片甩干后，使用短波长光活化，短波长光包括波长254nm和185nm的两种紫外光，照射光强为15mW/cm2，活化样片3分钟；
4、圆片预键合：将活化后的硅片甩干后，快速贴合，使之预键合；
5、退火：使用退火炉在350℃下退火20小时。
将使用短波长光辅助键合的硅片采用红外测试系统进行观测，如图2所示，其中浅灰色区域代表成功键合的部分。由此可见，硅片成功键合在一起，界面没有明显颗粒，获得了较大的键合率。
对键合成功后的硅片进行单轴拉伸测试实验，测出硅片的键合强度为10.3Mpa，键合强度较高，证明获得了较大的键合强度。
对拉伸实验后的硅片断裂界面进行观察，如图3所示。可见短波长光光照3分钟后进行键合的硅片经单轴拉伸测试仪拉断后，界面十分粗糙，断裂出现在体硅部分，键合中间界面没有被拉开，证明获得了较大的键合强度。
为了进一步观察键合界面过渡层，对试样进行了FSEM测试，为此采用10％HF溶液腐蚀键合界面约1分钟，在FSEM下观察键合截面。图4为短波长光光照射3分钟后键合硅片的界面形貌，其中间过渡层很窄，厚度仅为131nm，表明键合界面非常紧密，键合质量比较好。
实施例2：
1、清洗样片：将待键合样片浸泡于丙酮(质量百分数99.5％)中，超声清洗3分钟，再置于HF溶液(质量百分数1％)中超声清洗20分钟，然后在硫酸与双氧水溶液(质量比为H2SO4∶H2O∶H2O2＝5.5∶2.5∶1)中在130℃下煮沸20分钟；
2、氧化性氨溶液活化：将硅片置于氧化性氨溶液(质量比NH4OH∶H2O∶H2O2＝0.7∶19∶1)中浸泡10分钟，控制温度在70℃；
3、短波长光光照活化：将待键合样片甩干后，使用短波长光活化，短波长光包括波长254nm和185nm的两种紫外光，照射光强为15mW/cm2，活化样片3分钟；
4、圆片预键合：将活化后的硅片甩干后，快速贴合，使之预键合；
5、退火：使用退火炉在350℃下退火20小时。
实施例3：
1、清洗样片：将待键合样片浸泡于丙酮(质量百分数99.5％)中，超声清洗20分钟，再置于HF溶液(质量百分数20％)中超声清洗3分钟，然后在硫酸与双氧水溶液(质量比为H2SO4∶H2O∶H2O2＝5.5∶2.5∶1)中在130℃下煮沸20分钟；
2、氧化性氨溶液活化：将硅片置于氧化性氨溶液(质量比NH4OH∶H2O∶H2O2＝0.7∶19∶1)中浸泡10分钟，控制温度在70℃；
3、短波长光光照活化：将待键合样片甩干后，使用短波长光活化，短波长光包括波长254nm和185nm的两种紫外光，照射光强为15mW/cm2，活化样片3分钟；
4、圆片预键合：将活化后的硅片甩干后，快速贴合，使之预键合；
5、退火：使用退火炉在350℃下退火20小时。
实施例4：
1、清洗样片：将待键合样片浸泡于丙酮(质量百分数99.5％)中，超声清洗5分钟，再置于HF溶液(质量百分数5％)中超声清洗5分钟，然后在硫酸与双氧水溶液(质量比为H2SO4∶H2O∶H2O2＝22∶2.8∶1)中在130℃下煮沸20分钟；
2、氧化性氨溶液活化：将硅片置于氧化性氨溶液(质量比NH4OH∶H2O∶H2O2＝1∶15∶1)中浸泡10分钟，控制温度在70℃；
3、短波长光光照活化：将待键合样片甩干后，使用短波长光活化，短波长光包括波长254nm和185nm的两种紫外光，照射光强为15mW/cm2，活化样片3分钟；
4、圆片预键合：将活化后的硅片甩干后，快速贴合，使之预键合；
5、退火：使用退火炉在350℃下退火20小时。
实施例5：
1、清洗样片：将待键合样片浸泡于丙酮(质量百分数99.5％)中，超声清洗5分钟，再置于HF溶液(质量百分数5％)中超声清洗5分钟，然后在硫酸与双氧水溶液(质量比为H2SO4∶H2O∶H2O2＝10∶2.6∶1)中在130℃下煮沸20分钟；
2、氧化性氨溶液活化：将硅片置于氧化性氨溶90液(质量比NH4OH∶H2O∶H2O2＝2.1∶37∶1)中浸泡10分钟，控制温度在70℃；
3、短波长光光照活化：将待键合样片甩干后，使用短波长光活化，短波长光包括波长254nm和185nm的两种紫外光，照射光强为15mW/cm2，活化样片3分钟；
4、圆片预键合：将活化后的硅片甩干后，快速贴合，使之预键合；
5、退火：使用退火炉在250℃下退火10小时。
实施例6：
1、清洗样片：将待键合样片浸泡于丙酮(质量百分数99.5％)中，超声清洗5分钟，再置于HF溶液(质量百分数5％)中超声清洗5分钟，然后在硫酸与双氧水溶液(质量比为H2SO4∶H2O∶H2O2＝5.5∶2.5∶1)中在130℃下煮沸20分钟；
2、氧化性氨溶液活化：将硅片置于氧化性氨溶液(质量比NH4OH∶H2O∶H2O2＝0.7∶19∶1)中浸泡10分钟，控制温度在70℃；
3、短波长光光照活化：将待键合样片甩干后，使用短波长光(波长400nm)活化，照射光强为5mW/cm2，活化样片30分钟；
4、圆片预键合：将活化后的硅片甩干后，快速贴合，使之预键合；
5、退火：使用退火炉在300℃下退火15小时。
实施例7：
1、清洗样片：将待键合样片浸泡于丙酮(质量百分数99.5％)中，超声清洗5分钟，再置于HF溶液(质量百分数5％)中超声清洗5分钟，然后在硫酸与双氧水溶液(质量比为H2SO4∶H2O∶H2O2＝5.5∶2.5∶1)中在130℃下煮沸20分钟；
2、氧化性氨溶液活化：将硅片置于氧化性氨溶液(质量比NH4OH∶H2O∶H2O2＝0.7∶19∶1)中浸泡10分钟，控制温度在70℃；
3、短波长光光照活化：将待键合样片甩干后，使用短波长光(波长100nm)活化，照射光强为30mW/cm2，活化样片0.5分钟；
4、圆片预键合：将活化后的硅片甩干后，快速贴合，使之预键合；
5、退火：使用退火炉在100℃下退火20小时。
实施例8：
1、清洗样片：将待键合样片浸泡于丙酮(质量百分数99.5％)中，超声清洗5分钟，再置于HF溶液(质量百分数5％)中超声清洗5分钟，然后在硫酸与双氧水溶液(质量比为H2SO4∶H2O∶H2O2＝5.5∶2.5∶1)中在130℃下煮沸20分钟；
2、氧化性氨溶液活化：将硅片置于氧化性氨溶液(质量比NH4OH∶H2O∶H2O2＝0.7∶19∶1)中浸泡10分钟，控制温度在70℃；
3、短波长光光照活化：将待键合样片甩干后，使用短波长光活化，短波长光包括波长254nm和185nm的两种紫外光，照射光强为15mW/cm2，活化样片3分钟；
4、圆片预键合：将活化后的硅片甩干后，快速贴合，使之预键合；
5、退火：使用退火炉在400℃下退火5小时。
Claims (5)
1.一种短波长光辅助低温硅片直接键合方法，其步骤包括：
(1)将待键合的硅片进行清洗；
(2)将清洗后的硅片进行氧化性氨溶液活化，活化后取出；
(3)将氧化性氨溶液活化后的硅片用短波长光继续辅助活化，活化后取出；
(4)将短波长光辅助活化后的硅片甩干，快速贴合，使之预键合；
(5)进行加热退火，使贴合后的硅片键合。
2、根据权利要求1所述的短波长光辅助低温硅片直接键合方法，其特征在于：步骤(3)中，短波长光的波长范围为100～400nm，短波长光照射光强为5～30mW/cm2，活化时间为0.5～30分钟。
3、根据权利要求1所述的短波长光辅助低温硅片直接键合方法，其特征在于：步骤(2)中，活化时所采用的氧化性氨溶液为氨水、双氧水和去离子水的混合溶液，各组分质量比NH4OH∶H2O∶H2O2＝0.7～2.1∶13～37∶1。
4、根据权利要求1所述的短波长光辅助低温硅片直接键合方法，其特征在于：步骤(1)中，
(1.1)使用丙酮将待键合的硅片超声清洗3～20分钟；
(1.2)再使用氢氟酸溶液超声清洗3～10分钟，氢氟酸溶液质量百分比为1％～20％；
(1.3)然后在硫酸与双氧水混合溶液中清冼，H2SO4、H2O与H2O2的质量比为H2SO4∶H2O∶H2O2＝5.5～22∶2.4～2.8∶1。
5、根据权利要求1所述的短波长光辅助低温硅片直接键合方法，其特征在于：步骤(5)中，退火温度100～400℃，退火时间5～30小时。
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