CN104760927B

CN104760927B - 键合的方法

Info

Publication number: CN104760927B
Application number: CN201410004746.XA
Authority: CN
Inventors: 徐春云; 徐振宇
Original assignee: Wuxi CSMC Semiconductor Co Ltd
Current assignee: CSMC Technologies Corp
Priority date: 2014-01-06
Filing date: 2014-01-06
Publication date: 2016-08-31
Anticipated expiration: 2034-01-06
Also published as: CN104760927A

Abstract

本发明公开一种键合的方法。所述方法包括：a）提供待键合的第一衬底和第二衬底；b）将所述第一衬底和所述第二衬底分别固定至上热板和下热板，且将所述第一衬底和所述第二衬底分别连接至电源的阳极和阴极，以在第一预定真空度和第一预定温度下将所述第一衬底和所述第二衬底键合；c）将所述上热板与所述第一衬底分离，并在第二预定真空度下对所述下热板进行冷却；d）当所述上热板的温度下降到第二预定温度时，在大气压下冷却键合后的所述第一衬底和所述第二衬底。根据本发明的键合方法可以在保证键合质量的同时缩短冷却时间，提高生产效率。

Description

键合的方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，具体地，涉及一种键合的方法。

背景技术

键合是一种在微机电系统（Micro-Electro-Mechanic System，MEMS）加工工艺中广泛使用的技术，其通过化学和物理作用将两个衬底（例如硅片与硅片、玻璃片或其他材料）紧密地结合起来。以硅片和玻璃片的键合为例，一般采用阳极键合，在预定的温度和预定真空度下，在硅片与玻璃之间施加电压，通过在硅片和玻璃片表面形成的静电力，将硅片和玻璃片吸附在一起。并且键合过程中需要对硅片和玻璃片进行加热，因此键合之后需要进行降温。

现有的降温方法包括两种，一种是在键合完成之后，直接在具有预定真空度的键合腔体内降温，这可以保证产品的键合质量，然而需要相当长的时间，降低生产效率。另一种是在键合完成之后，立即破真空，在大气环境中降温，这样虽然可以缩短冷却时间，但却会导致键合的两个衬底由于温度不同而发生变形。

因此，有必要提出一种键合的方法，以解决现有技术中存在的问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种键合的方法。所述方法包括：a）提供待键合的第一衬底和第二衬底；b）将所述第一衬底和所述第二衬底分别固定至上热板和下热板，且将所述第一衬底和所述第二衬底分别连接至电源的阳极和阴极，以在第一预定真空度和第一预定温度下将所述第一衬底和所述第二衬底键合；c）将所述上热板与所述第一衬底分离，并在第二预定真空度下对所述下热板进行冷却；d）当所述上热板的温度下降到第二预定温度时，在大气压下冷却键合后的所述第一衬底和所述第二衬底。

优选地，所述第一衬底为玻璃片和硅片中的一种，且所述第二衬底为所述玻璃片和所述硅片中的另一种。

优选地，所述第一预定温度为350℃～400℃。

优选地，所述第二预定温度为250℃～270℃。

优选地，所述第二预定真空度高于或等于所述第一预定真空度。

优选地，所述第一预定真空度为1×10^-4mbar～1×10^-3mbar。

优选地，所述d）步骤包括：在所述上热板的温度下降到所述第二预定温度之前，保持对所述下热板冷却；在所述上热板的温度达到所述第二预定温度时，使所述第一衬底和所述第二衬底处于大气压；在所述上热板的温度下降到第三预定温度之前，保持对所述下热板冷却；以及在所述上热板的温度达到所述第三预定温度时，停止对所述下热板冷却。

优选地，所述第三预定温度为80℃～120℃。

优选地，所述b）步骤中施加的键合电压为700V～1000V。

根据本发明的键合方法在键合完成之后，将第一衬底、第二衬底、上热板以及下热板保持在真空环境下，并待上热板的温度降至预定温度后再在大气压下进行冷却。该方法可以在保证键合质量的同时缩短冷却时间，提高生产效率。

在发明内容部分中引入了一系列简化形式的概念，这将在具体实施方式部分中进一步详细说明。本发明的发明内容部分并不意味着要试图限定出所要求保护的技术方案的关键特征和必要技术特征，更不意味着试图确定所要求保护的技术方案的保护范围。

附图说明

本发明的下列附图在此作为本发明的一部分用于理解本发明。附图中示出了本发明的实施例及其描述，用来解释本发明的原理。在附图中，

图1是根据本发明的一个实施例的键合的方法的流程图；

图2A-2C是根据图1中示出的流程图键合第一衬底和第二衬底过程中各个步骤的示意图；以及

图3是采用不同的键合方法形成的产品的PCM参数输出灵敏度曲线图。

具体实施方式

接下来，将结合附图更加完整地描述本发明，附图中示出了本发明的实施例。但是，本发明能够以不同形式实施，而不应当解释为局限于这里提出的实施例。相反地，提供这些实施例将使公开彻底和完全，并且将本发明的范围完全地传递给本领域技术人员。在附图中，为了清楚，层和区的尺寸以及相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。

应当明白，当元件或层被称为“在...上”、“与...相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其他元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在...上”、“与...直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。

根据本发明的一个方面，提供一种键合的方法。下面将结合图1所示的流程图和图2A-2C所示的结构示意图详细介绍根据本发明的键合的方法。

步骤S110：提供待键合的第一衬底和第二衬底。

如图2A所示，提供待键合的第一衬底210和第二衬底220。第一衬底210可以为玻璃片和硅片中的一种，第二衬底220可以为玻璃片和硅片中的另一种。例如，在根据本发明的一个实施例中，第一衬底210可以为玻璃片，第二衬底220可以为硅片。需要说明的是，本发明提供的方法不限于键合玻璃片和硅片，而是该方法可以用于键合任何其他的相同或不同材料的衬底，只要这两种衬底适于采用下述方法进行键合即可。

步骤S120：将第一衬底和第二衬底分别固定至上热板和下热板，且将第一衬底和第二衬底分别连接至电源的阳极和阴极，以在第一预定真空度和第一预定温度下将第一衬底和第二衬底键合。

如图2B所示，将第一衬底210固定至上热板310上，将第二衬底22固定至下热板320上。上热板310和下热板320可以为第一衬底210和第二衬底220提供热量，以使第一衬底210和第二衬底220在键合过程中具有第一预定温度。通常情况下，第一衬底210、第二衬底220、上热板310和下热板320都会放置在密闭的键合腔体内，以便使第一衬底210和第二衬底220在真空环境下进行键合。现有键合腔体内的下热板320上一般设置有冷却装置（未示出），以提高键合完成之后的冷却速度。而为了节省成本，上热板310上并未设置任何冷却装置。第一衬底210和第二衬底220分别连接至电源330的阳极和阴极，以便在第一衬底210和第二衬底220施加电场，使得离子如后文所描述地在电场下移动而在第一衬底210和第二衬底220之间形成静电力。因此，根据待键合的第一衬底210和第二衬底220的材料，第一衬底210和第二衬底220中的一个连接至电源330的阳极，且另一个连接至电源330的阴极。例如，在根据本发明的一个实施例中，第一衬底210为玻璃片，第二衬底220为硅片时，将第一衬底210连接至电源330的阴极，将第二衬底220连接至电源330的阳极。阴极和阳极之间的键合电压优选地可以为700V～1000V。例如，在根据本发明的一个实施例中，阴极和阳极之间的键合电压可以为800V。

键合时，先开启上热板310和下热板320，以将第一衬底210和第二衬底220加热至第一预定温度。当温度升高后，第一衬底210中的Na⁺离子、O^2-离子的迁移率提高。在电场作用下，带正电的Na⁺离子向阴极迁移，并在阴极被中性化。然而，在第一衬底210中束缚的带负电的O^2–离子不动，并在第二衬底220的表面感应形成一层空间正电荷层，使得第一衬底210和第二衬底220之间产生静电力而将第一衬底210和第二衬底220吸附到一起，通过长时间导电形成SiO₂键合层230，将第一衬底210和第二衬底220键合到一起。

一般来说，可以通过现有的检测键合过程中的传输电荷量来确定键合是否完成。当然，也可以采用其他的方式来确定。

上文中提到的第一预定温度可以根据第一衬底210和第二衬底220的材料确定。由于在升温的过程中，第一衬底210和第二衬底220会发生热膨胀现象，并且热膨胀系数会随着温度的变化而变化。对于不同材料的键合，优选地选择在热膨胀系数相同或相近的在温度范围内进行键合。这样可以避免键合后的第一衬底210和第二衬底220发生变形。因此，优选地，第一预定温度可以选择这样的温度范围：在第一预定温度时，第一衬底210和第二衬底220的热膨胀系数相同或相近。例如，在根据本发明的一个实施例中，当第一衬底210为玻璃片，第二衬底220为硅片时，第一预定温度可以为350℃～400℃。例如，第一预定温度可以为370℃。在350℃～400℃的温度范围内，玻璃片和硅片的热膨胀系数基本一致，因此，不会对键合质量带来不利影响。

为了保证键合的质量，键合需要在具有第一预定真空度的键合腔体内进行。一般来说，键合产品需要真空度高于1×10^-3mbar。在根据本发明的一个优选实施例中，第一预定真空度为1×10^-4mbar～1×10^-3mbar。在实际操作中，由于键合需要在第一预定温度下进行，而随着温度的升高，键合腔体内的压强增大，真空度降低，因此，一般来说，对上、下热板升温前，可以将键合腔体内的真空度设置得高于第一预定真空度。例如当第一预定真空度为1×10^-3mbar时，对上、下热板升温前，可以将键合腔体内的真空度设置为3×10^-4mbar或更高。在这种情况下，即使由于温度升高使得键合腔体内的真空度降低后，键合腔体内的真空度还能满足键合产品对真空度的实际要求。

步骤S130：将上热板与第一衬底分离，并在第二预定真空度下对下热板进行冷却。

由于键合是在具有第一预定温度（例如370℃）和第一预定真空度（例如1×10^-3mbar）的条件下进行的，因此在键合完成之后，需要对下热板310、上热板320以及键合后的第一衬底210和第二衬底220进行冷却。

当确定键合完成后，停止键合，将上热板310与第一衬底210分离，如图2C所示。同时，开启下热板320上的冷却装置，以对下热板320进行冷却。冷却装置可以为水冷装置，也可以为其他类型的冷却装置。如果在键合刚好完成时破真空，使第一衬底210、第二衬底220、上热板310以及下热板320在大气压下冷却，由于下热板320上设置有冷却装置，而上热板310上没有设置任何冷却装置，因此上热板310和下热板320之间会存在较大的温度差。而由于第一衬底210靠近上热板310，上热板310上的热量会通过气体介质传导至第一衬底210上，使第一衬底210和第二衬底220之间存在温度差，容易产生变形。这会给键合质量带来不利的影响。

因此，本发明在最初的冷却阶段仍然使键合腔体内具有第二预定真空度，以避免上热板310的热量扩散到第一衬底210。为了降低第一衬底210和上热板310之间的热扩散，优选地，第二预定真空度高于或等于第一预定真空度。例如，第二预定真空度可以为1×10^-4mbar。而在实际操作中，由于在键合及冷却过程中，抽真空装置（例如机械泵、扩散泵、分子泵等）一直在对键合腔体抽真空，因此，一般来说，很容易保持键合腔体内的真空度、甚至会使得键合腔室内的真空度提高，因此该优选方案并未导致该方法的步骤繁琐或增加成本。

步骤S140：当上热板的温度下降到第二预定温度时，在大气压下冷却键合后的第一衬底和第二衬底。

步骤S130中的最初的冷却过程一直在具有第二预定真空度的键合腔体内进行，下热板320上具有冷却装置，冷却较快。然而，上热板310上没有任何冷却装置，而且上热板310与第一衬底210分离，因此，上热板310的热量不易向周围扩散，因此如果一直在具有第二真空度的键合腔体内进行冷却，需要的冷却时间会较长。例如，如果一直在具有第二真空度的键合腔体内进行冷却，整个工艺过程需要大约3小时，而冷却的时间需要将近1小时40分钟，占了整个工艺时间的50%以上，这不利于提高生产效率。因此，本发明在上热板310的温度下降到第二预定温度时，对键合腔体破真空，以在大气压下冷却键合后的第一衬底210、第二衬底220以及上热板310和下热板320。在上热板310的温度下降到第二预定温度之前，保持冷却装置处于开启状态，以使下热板的冷却速度加快。

优选地，第二预定温度为250℃～270℃。例如，在根据本发明的一个实施例中，第二预定温度可以为260℃。申请人发现，与在具有第二预定真空度的键合腔体内使第一衬底210、第二衬底220、上热板310以及下热板320温度下降至常温相比，在260℃破真空降温可以使冷却时间缩短大约50分钟，提高了生产效率。而与在键合完成后直接破真空冷却（例如，在上热板温度为370℃时破真空）相比，当上热板310的温度下降至260℃时再破真空，得到的产品的PCM（脉冲编码调制）参数输出灵敏度明显提高。图3中示出了不同的样品的PCM参数输出灵敏度。其中样品1、2、3和4是在370℃破真空冷却得到的产品，其灵敏度曲线如曲线A所示，而样品1’、2’、3’和4’是在260℃破真空冷却得到的产品，其灵敏度曲线如曲线B所示。曲线B上各点对应的PCM参数输出灵敏度均高于曲线A上各点对应的PCM参数输出灵敏度。

优选地，在上热板温度下降到第二预定温度对键合腔体破真空之后，继续保持冷却装置处于开启状态，以使冷却速度加快。当上热板310的温度下降到第三预定温度时，关闭冷却装置，使其自然冷却。优选地，第三预定温度为80℃～120℃。例如，在根据本发明的一个实施例中，第三预定温度为100℃。当上热板310的温度下降到80℃～120℃时，此时，下热板320的温度已经低于上热板310的温度，例如，下热板320的温度为50℃，此时，可以停止通过冷却装置对下热板320进行冷却，并手动操作进行新一轮的键合，提高生产效率。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims

1.一种键合的方法，所述方法包括：

a)提供待键合的第一衬底和第二衬底；

b)将所述第一衬底和所述第二衬底分别固定至上热板和下热板，且将所述第一衬底和所述第二衬底分别连接至电源的阳极和阴极，以在第一预定真空度和第一预定温度下将所述第一衬底和所述第二衬底键合；

其特征在于，在所述b)步骤之后，包括：

c)将所述上热板与所述第一衬底分离，并在第二预定真空度下对所述下热板进行冷却；

d)当所述上热板的温度下降到第二预定温度时，在大气压下冷却键合后的所述第一衬底和所述第二衬底。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一衬底为玻璃片和硅片中的一种，且所述第二衬底为所述玻璃片和所述硅片中的另一种。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一预定温度为350℃～400℃。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第二预定温度为250℃～270℃。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第二预定真空度高于或等于所述第一预定真空度。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一预定真空度为1×10^-4mbar～1×10^-3mbar。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述d)步骤包括：

在所述上热板的温度下降到所述第二预定温度之前，保持对所述下热板冷却；

在所述上热板的温度达到所述第二预定温度时，使所述第一衬底和所述第二衬底处于大气压；

在所述上热板的温度下降到第三预定温度之前，保持对所述下热板冷却；以及

在所述上热板的温度达到所述第三预定温度时，停止对所述下热板冷却。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述第三预定温度为80℃～120℃。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述b)步骤中施加的键合电压为700V～1000V。