CN106340524A - 一种晶圆键合方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种晶圆键合方法，在晶圆对准定位时，在晶圆表面点涂有固态的隔离物，代替晶圆定位时使用的硬质固体隔离片。本发明通过使用可在键合时气化的固态的隔离物代替传统键合时的硬质固体隔离片，对晶圆之间进行隔离，在对准后先进行预键合，将固态的隔离物熔化成液态的隔离物，使得晶圆之间粘合在一起，达到固定的作用，然后送入键合机中进行键合，键合时升温将液态的隔离物材料气化，并通过抽真空将气体抽走，然后将两片晶圆键合，从而避免了由于使用硬质固体隔离片被黏住或者硬质固体隔离片抽离时造成的晶圆移动的问题。此外采用这种晶圆键合方法同时键合三片以上的晶圆，能够节约工时，从而达到节约成本，减少浪费的目的。

Description

一种晶圆键合方法

技术领域

本发明涉及一种键合方法，特别涉及一种晶圆键合方法。

背景技术

晶圆键合技术可以将不同材料的晶圆结合在一起，常用的键合技术有：硅-硅直接键合、硅-玻璃直接键合、金属扩散键合、聚合物粘接键合等，该技术已经应用于多个半导体领域，比如3D-TSV(3D硅通孔技术)、HB-LED(白光高亮度发光二极管)、SOI(绝缘体硅技术)、MEMS(微机电系统)等，是未来半导体行业发展的重要技术之一。根据不同的应用领域，晶圆键合的工艺参数都不相同，但是基本原理相似，主要包括抽真空、升温、施加压力、降温和破真空等工艺。通常情况下一套完整的晶圆键合工艺主要由两类设备组成：对准设备和键合设备。对准设备能够将两片晶圆根据对准标记对准，插入隔离片，固定两片晶圆，一般使用对准设备将一对晶圆对准和固定需要5-8分钟；键合设备能够通过抽真空、抽隔离片、升温、施加压力、降温和破真将不同材料的晶圆结合在一起，键合设备键合一对晶圆需要45-90分钟。

现有技术中键合工艺的示意图如图1所示，在真空环境中，图1中的两个硅片3、4放置在具有加热功能的支撑台2上，通过温度和压力控制装置1施加一定温度和压力。由于要在真空环境下完成键合，在键合工艺前，第一晶圆3、第二晶圆4需要用第一隔离片5、第二隔离片6分隔开，完成抽真空工艺，将两隔离片撤出后，再进行其它键合工艺，以达到键合的目的。由于隔离片为硬质固体，往往在隔离片撤出时，由于过于迅速，产生出一定的力道导致晶圆的位置产生了移动，使得之前的对准作废，而晶圆位置是否偏移需要在键合后显微镜下才能看见，一旦产生偏移，该片晶圆通常会作废，不仅浪费了时间还提高了成本。

在制作CCD或者CMOS等视觉类芯片时，往往需要先将CCD或者CMOS晶圆先与玻璃进行键合，此时需要在玻璃面涂上胶水然后与晶圆进行键合，而往往在对准后将隔离片抽出时，这种硬质固体材质的隔离片很容易被胶水粘住，这样在键合时晶圆与玻璃之间无法键合，导致晶圆作废。

此外目前的晶圆键合设备一次仅能实现两片晶圆的键合，受制于单次晶圆键合工艺时间很长，使得需要多次堆叠的多个半导体领域的制造成本非常高，产率也不满足未来大规模量产的工艺需求。比如采用3D-TSV结构的8层堆叠结构需要分8次来完成一片晶圆的键合，有保护结构的体硅MEMS需要分4次来完成一片的晶圆的键合，如果单次键合的时间为一小时，那么至少需要4-8小时才能完成一片晶圆的键合。因此如何能提高产率，降低制造成本是生产工艺中必须要解决的问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种晶圆键合方法，利用固态的隔离物代替现有技术中的隔离片，从而解决了键合时隔离片抽出或者被粘住的问题，同时也可以设置同时键合多片晶圆，节约了成本与工时。

为达到上述目的，本发明提供一种晶圆键合方法，在相邻的两片晶圆之间的表面点涂有固态的隔离物，用于隔离晶圆，在晶圆对准过程中，所述固态的隔离物被加热熔化后液化，转为液态的隔离物，使相邻的两片晶圆之间粘合定位，在晶圆键合时，所述相邻的两片晶圆之间的液态的隔离物被升温后气化，转化为气态的隔离物，通过抽真空装置抽离去除气态的隔离物，使相邻的两片晶圆之间实现键合。

作为优选，所述固态的隔离物为复合有机材料或者复合无机材料，所述固态的隔离物的熔点在50℃～250℃之间，沸点在250℃以上。

作为优选，所述固态的隔离物的高度为0.1～2mm。

作为优选，所述晶圆的片数为两片以上。

作为优选，当键合晶圆片数为两片以上时，包括以下步骤：

步骤一：提供多片待键合的晶圆，设定键合时晶圆的放置顺序，分别为底层晶圆、中间晶圆和顶层晶圆，所述所有晶圆上设置有对准标记；

步骤二：在所述底层晶圆和中间晶圆上表面点涂固态的隔离物；

步骤三：将所述底层晶圆放置在加热台上，并且将设置有对准标记的一面朝上，将中间晶圆对准并放置在所述底层晶圆上，将所述加热台升温，直至所述固态的隔离物熔化为液态的隔离物，传输手压住所述中间晶圆，使得中间晶圆与底层晶圆之间产生粘合，完成预键合，将所述顶层晶圆的对准标记朝下设置，对准后将所述加热台升温，使顶层晶圆与所述中间晶圆的之间的固态的隔离物熔化为液态的隔离物，使所述顶层晶圆与中间晶圆粘合在一起，完成预键合；

步骤四：将完成预键合的晶圆传送至键合机的键合腔后抽真空，键合压盘向下运动，同时键合机的下加热盘将温度升至使所述液态的隔离物气化，当液态的隔离物全部气化后，抽离气态的隔离物后，进行多片晶圆的键合。

作为优选，所述中间晶圆片数为一片以上，在相邻的两片的中间晶圆之间设置有固态隔离物，以替代硬质固体隔离片，将相邻的两片中间晶圆通过对准标记对准后，将加热台升温，使所述固态的隔离物熔化为液态的隔离物，使相邻的两片中间晶圆粘合，完成中间晶圆之间的预键合。

作为优选，所述顶层晶圆与底层晶圆只在被键合一面设置对准标记，所述中间晶圆在两个面均设置对准标记。

作为优选，晶圆对准时采用机器视觉系统进行对准，所述机器视觉系统为可进行上下和水平向调整的同轴机器视觉系统。

作为优选，所述固态的隔离物个数为两个以上，并且在晶圆表面呈对称分布。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过使用可在键合时气化的固态的隔离物代替传统键合时的硬质固体隔离片，对晶圆之间进行隔离，在对准后先进行预键合，将固态的隔离物熔化成液态的隔离物，使得晶圆之间粘合在一起，达到固定的作用，然后送入键合机中进行键合，键合时升温将液态的隔离物材料气化，并通过抽真空将气体抽走，然后将两片晶圆键合，从而避免了由于使用硬质固体隔离片被黏住或者硬质固体隔离片抽离时造成的晶圆移动的问题。此外采用这种晶圆键合方法同时键合三片以上的晶圆，能够节约工时，从而达到节约成本，减少浪费的目的。

附图说明

图1为现有技术中键合工艺的示意图；

图2为本发明实施例一在晶圆上制作固态的隔离物示意图；

图3为本发明实施例一传送晶圆示意图；

图4为本发明实施例一对准两片晶圆示意图；

图5为本发明实施例一传送第三片晶圆示意图；

图6为本发明实施例一将三片晶圆送入键合腔示意图；

图7为本发明实施例一键合时抽真空示意图；

图8为本发明实施例一运动机构下压示意图；

图9为本发明实施例一晶圆键合示意图；

图10为本发明实施例一的晶圆键合方法流程图。

图中：

现有技术图示：1-压力控制装置、2-支撑台、3-第一晶圆、4-第二晶圆、5-第一隔离片、6-第二隔离片；

本发明图示：16-键合腔、17-键合压盘、18-运动机构、19-第一固态的隔离物、20-第三晶圆、21-加热台、22-传输手、23-第二固态的隔离物、24-第四晶圆、25-机器视觉系统、27-第五晶圆、28-下加热盘，29-支撑柱，30-键合机台。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

实施例一

请参照图2至图10，本实施例键合三片晶圆，其中晶圆键合方法工艺流程如图所示，具体如下：

步骤一：提供三片待键合的晶圆，分别为第三晶圆20、第四晶圆24、和第五晶圆27，设定键合时各晶圆的放置顺序，由下至上依次为第三晶圆20、第四晶圆24、和第五晶圆27，晶圆上均设置有对准标记。

待键合的晶圆必须经过清洗、烘干、烘烤、浸泡助粘剂等步骤，根据所需的工艺要求，在键合之前存放在设定过温度的烤箱内，例如80℃～130℃之间。在晶圆上均设置有用于对位的对准标记，对准标记是十字形、菱形、雪花形等中心对称的图案。

较佳地，所述第三晶圆20与第五晶圆27只有在待键合的一面设置对准标记，第四晶圆24在两个面均设置对准标记。

步骤二：除键合时设定放置在最顶层的晶圆以外，在其余晶圆上表面制作固态的隔离物。

请参照图2，在第三晶圆20待键合的一面制作第一固态的隔离物19，在第四晶圆24表面制作第二固态的隔离物23。较佳地，所述固态的隔离物为复合有机材料或者复合无机材料，所述固态的隔离物的熔点在50℃～250℃之间，沸点在250℃以上。

较佳地，所述固态的隔离物的高度为0.1～2mm，与传统隔离片高度一致。

较佳地，所述固态的隔离物个数至少为两个，并且在晶圆表面要呈对称分布。固态的隔离物形状可以为任意形状。

步骤三：请参照图3，当含有第一固态的隔离物19的第三晶圆20被放置在加热台21时，传输手22将含有第二固态的隔离物23的第四晶圆24传送至第三晶圆20上方，通过机器视觉系统25进行水平和垂直的调整后，可同时看到上下两片晶圆的对准标记，将两片晶圆的对准标记进行对准后，请参照图4，撤出机器视觉系统25，传输手22将第四晶圆24按照对准的路径放置在第三晶圆20上，同时加热台21升温，使得第一固态的隔离物19和第二固态的隔离物23从固态熔化为液态的隔离物，并且传输手22产生向下的压力使得第三晶圆20与第四晶圆24产生粘合。

请参照图5，将第五晶圆27用同样的方法粘合在第四晶圆24上，故此三片晶圆都已对准并粘合。

一般地，预键合的温度在50℃～250℃之间，根据制作固态的隔离物的材料的熔点设置加热台的加热的温度范围。

步骤四：将完成预键合的晶圆传送至键合机的键合腔后抽真空，键合压盘向下运动，同时键合机的下加热盘将温度升至所述液态的隔离物气化，当液态的隔离物全部气化后，进行键合。

请参照图6，将预键合后的晶圆送入键合机的键合腔16后，参照图7，对键合腔进行抽真空，将键合腔16内的空气去除。

请参照图8，晶圆正上方的键合压盘17通过运动机构18向下运动，同时键合机的下加热盘28开始逐渐升温，当升到设定温度时，开启抽真空模式，此时键合压盘17已经压至第五晶圆27表面，并不断向下施压，当温度升至液态的隔离物材料的沸点时，液态的隔离物材料变成气态，并且在键合压盘17的压力以及抽真空的气压下被逐渐排出键合腔16，于是晶圆之间缝隙逐渐变小直至没有缝隙。然后参照图9，进行加压、升温、冷却的传统键合工艺。

实施例二

本实施例与实施例一的区别在于键合晶圆的片数为四片，键合方法与实施例一相同。

本发明对上述实施例进行了描述，但本发明不仅限于上述实施例，如键合晶圆的片数为两片或者三片以上。显然本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。

Claims (9)

1.一种晶圆键合方法，其特征在于，在相邻的两片晶圆之间的表面点涂有固态的隔离物，用于隔离晶圆，在晶圆对准过程中，所述固态的隔离物被加热熔化后液化，转为液态的隔离物，使相邻的两片晶圆之间粘合定位，在晶圆键合时，所述相邻的两片晶圆之间的液态的隔离物被升温后气化，转化为气态的隔离物，通过抽真空装置抽离去除气态的隔离物，使相邻的两片晶圆之间实现键合。

2.如权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述固态的隔离物为复合有机材料或者复合无机材料，所述固态的隔离物的熔点在50℃～250℃之间，沸点在250℃以上。

3.如权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述固态的隔离物的高度为O.1～2mm。

4.如权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述晶圆的片数为两片以上。

5.如权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于，当键合晶圆片数为两片以上时，包括以下步骤：

步骤一：提供多片待键合的晶圆，设定键合时晶圆的放置顺序，分别为底层晶圆、中间晶圆和顶层晶圆，所述所有晶圆上设置有对准标记；

步骤二：在所述底层晶圆和中间晶圆上表面点涂固态的隔离物；

步骤三：将所述底层晶圆放置在加热台上，并且将设置有对准标记的一面朝上，将中间晶圆对准并放置在所述底层晶圆上，将所述加热台升温，直至所述固态的隔离物熔化为液态的隔离物，传输手压住所述中间晶圆，使得中间晶圆与底层晶圆之间产生粘合，完成预键合，将所述顶层晶圆的对准标记朝下设置，对准后将所述加热台升温，使顶层晶圆与所述中间晶圆的之间的固态的隔离物熔化为液态的隔离物，使所述顶层晶圆与中间晶圆粘合在一起，完成预键合；

步骤四：将完成预键合的晶圆传送至键合机的键合腔后抽真空，键合压盘向下运动，同时键合机的下加热盘将温度升至使所述液态的隔离物气化，当液态的隔离物全部气化后，抽离气态的隔离物后，进行多片晶圆的键合。

6.如权利要求5所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述中间晶圆片数为一片以上，在相邻的两片的中间晶圆之间设置有固态隔离物，以替代硬质固体隔离片，将相邻的两片中间晶圆通过对准标记对准后，将加热台升温，使所述固态的隔离物熔化为液态的隔离物，使相邻的两片中间晶圆粘合，完成中间晶圆之间的预键合。

7.如权利要求5所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述顶层晶圆与底层晶圆只在被键合一面设置对准标记，所述中间晶圆在两个面均设置对准标记。

8.如权利要求5所述的晶圆键合方法，其特征在于，晶圆对准时采用机器视觉系统进行对准，所述机器视觉系统为可进行上下和水平向调整的同轴机器视觉系统。

9.如权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述固态的隔离物个数为两个以上，并且在晶圆表面呈对称分布。