CN110282598B

CN110282598B - 真空环境下晶圆低温键合方法

Info

Publication number: CN110282598B
Application number: CN201910618100.3A
Authority: CN
Inventors: 冒薇; 段仲伟; 马冬月; 祝翠梅; 姚园; 许爱玲
Original assignee: SUZHOU MEMSTOOLS SEMICONDUCTOR TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: SUZHOU MEMSTOOLS SEMICONDUCTOR TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2019-07-10
Filing date: 2019-07-10
Publication date: 2021-12-28
Anticipated expiration: 2039-07-10
Also published as: CN110282598A

Abstract

本发明涉及一种真空环境下晶圆低温键合方法，其包括如下步骤：步骤1、第一晶圆、第二晶圆相对应键合界面裸露于真空腔室的真空环境中；步骤2、利用工作气体的等离子体对第一晶圆、第二晶圆相应的键合界面进行活化处理；步骤3、关闭等离子体源，并停止将工作气体引入真空腔室内，以使得真空腔室能达到所需的真空状态；步骤4、在第一晶圆的键合界面与第二晶圆的键合界面贴合接触至所需的时间后，能使得第一晶圆与第二晶圆键合固定；步骤5、打开键合夹具并取出键合连接后的第一晶圆与第二晶圆。本发明采用表面等离子体对晶圆表面进行物理轰击活化的方法，促进晶圆表面悬挂键的形成，从而能实现真空环境中的低温甚至是常温的晶圆直接键合。

Description

真空环境下晶圆低温键合方法

技术领域

本发明涉及一种键合方法，尤其是一种真空环境下晶圆低温键合方法，属于晶圆键合的技术领域。

背景技术

晶圆键合技术是微系统封装的基本技术之一，已经成为微机电系统领域里的一项重要工具。晶圆键合技术在晶圆级封装，三维芯片堆叠和绝缘体上硅技术等领域有着广泛的应用。随着键合技术向着低成本、高性能、高集成度、小尺寸、低功耗的方向发展，由原来的二维封装进入到三维堆叠的时代。器件和电路的高度集成对晶圆键合工艺提出了更高的要求。

键合温度是晶圆键合技术最重要的指标，目前常规的晶圆直接键合技术在很多情况下为了得到较好的键合质量，必须控制键合温度在一个比较高的范围。高温键合会随之带来了一些问题：首先，过高的温度会对IC芯片和MEMS器件产生不利影响，对于某些温敏器件而言，甚至会使其破坏而失效，而这些微结构和电路所能承受的温度是有严格要求的，否则就会造成器件的损坏或者影响其使用寿命(可靠性)，如CMOS电路在400℃下超过15分钟就会发生Al-Si反应，使电路结构破坏；其次，高温键合时常常会产生一定的热应力，在完成键合冷却后热应力无法释放，会造成MEMS器件工作不稳定和可靠性降低，特别是对于一些异质晶圆材料的键合，由于热膨胀系数的差别，导致温度梯度的出现而造成比较大的热应力，使键合界面出现裂纹或键合片破损；而当一些掺杂过的晶圆进行键合时，高温的键合过程会使掺杂物质重新扩散，这将改变杂质分布和电学特性。

此外，如果晶圆的界面存在一些污染和缺陷，在高温的作用下也会扩散开，使产品失效区域变得不可控，同时使键合界面电学特性劣化。因此，晶圆直接键合技术要成为一种成熟的，适用于大规模制造的实用技术必须首先解决键合温度过高的问题，故需要低温直接键合。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种真空环境下晶圆低温键合方法，其采用表面等离子体对晶圆表面进行物理轰击活化的方法，促进晶圆表面悬挂键的形成，从而能实现真空环境中的低温甚至是常温的晶圆直接键合。

按照本发明提供的技术方案，所述真空环境下晶圆低温键合方法，所述低温键合方法包括如下步骤：

步骤1、提供具有键合夹具的真空腔室，将待键合的第一晶圆、第二晶圆置于键合夹具内，对真空腔室抽真空且达到所需的真空状态后，第一晶圆、第二晶圆相对应键合界面裸露于真空腔室的真空环境中；

步骤2、将工作气体引入真空腔室内且达到所需的工作压力后，启动等离子体源，使得真空腔室内产生工作气体的等离子体，以利用所产生工作气体的等离子体对第一晶圆、第二晶圆相应的键合界面进行活化处理；

步骤3、关闭等离子体源，并停止将工作气体引入真空腔室内，以使得真空腔室能达到所需的真空状态；

步骤4、通过键合夹具使得第一晶圆的键合界面与第二晶圆的键合界面贴合接触，在第一晶圆的键合界面与第二晶圆的键合界面贴合接触至所需的时间后，能使得第一晶圆与第二晶圆键合固定；

步骤5、对上述真空腔室进行破真空处理，打开键合夹具并取出键合连接后的第一晶圆与第二晶圆。

所述第一晶圆与第二晶圆间为硅-硅键合，或第一晶圆与第二晶圆间为玻璃片-玻璃片键合固定。

所述引入真空腔体内的工作气体为氧气、氩气或氮气。

步骤2中，对第一晶圆、第二晶圆相应键合界面的活化处理时间为10s～300s；步骤4中，在键合夹具内，第一晶圆的键合界面与第二晶圆的键合界面的贴合接触时间为5min～10min。

所述键合夹具包括用于收容待低温键合晶圆组的晶圆收容器、用于支撑所述晶圆收容器的支撑座以及用于控制晶圆收容器开闭状态的容器开闭连杆机构，所述支撑座通过旋转支撑板安装于旋转电机上，通过旋转电机能驱动支撑座与晶圆收容器同步转动。

所述容器开闭连杆机构包括位于晶圆收容器下方的拉杆以及位于所述拉杆一端部的连接杆，在所述连接杆的端部均设置连接臂，所述连接臂的一端与连接杆铰接，连接臂的另一端与托盘连接头的一端铰接，所述两托盘连接头的另一端与晶圆收容器适配连接，通过拉杆带动连接杆运动时，通过连接臂、托盘连接头与晶圆收容器配合能使得晶圆收容器处于张开状态或闭合状态。

所述晶圆收容器包括第一晶圆托盘以及能与所述第一晶圆托盘适配连接的第二晶圆托盘，利用第一晶圆托盘、第二晶圆托盘能收容晶圆，第一晶圆托盘、第二晶圆托盘能分别与一托盘连接头连接。

在每个托盘连接头上均设置托盘支撑板，通过托盘支撑板能对与所述托盘支撑板对应连接的第一晶圆托盘、第二晶圆托盘进行支撑，第一晶圆托盘、第二晶圆托盘与对应的托盘支撑板通过托盘支撑紧固螺丝固定连接。

所述连接臂通过连接臂转轴与托盘连接头铰接；在支撑座内还设置连接头转轴，所述连接头转轴贯穿托盘连接头，且托盘连接头能绕连接头转轴转动。

所述拉杆贯穿旋转电机以及旋转支撑板，拉杆与旋转支撑板呈同轴分布，拉杆的轴线与连接杆的轴线相互垂直。

本发明的优点：第一晶圆、第二晶圆通过键合夹具置于真空腔室内，通过对真空腔室内的第一晶圆、第二晶圆进行活化处理后，利用键合夹具能使得第一晶圆、第二晶圆相应的键合界面贴合接触，在保持所需的时间后能实现第一晶圆与第二晶圆的键合，在整个键合过程中真空腔室的温度可以保持为常温，这样在键合过程中能避免高温对温度敏感材料或结构的破坏，而且适用于热膨胀系数差异较大的晶圆之间的键合，避免了热膨胀系数大的晶圆材料之间出现严重的热应力导致损害器件，导致器件失效的情况，键合质量好，键合材料限制少，从而在微机电系统等许多领域能广泛的应用。

附图说明

图1为本发明键合夹具的结构示意图。

图2为本发明晶圆收容器处于打开时的局部示意图。

图3为本发明晶圆收容器处于闭合时的局部示意图。

图4为本发明晶圆收容器处于闭合时的侧视图。

附图标记说明：1-第一晶圆托盘、2-晶圆片、3-第二晶圆托盘、4-托盘支撑板、5-托盘支撑紧固螺丝、6-支撑座、7-连接臂转轴、8-连接臂、9-连接杆、10-拉杆、11-旋转支撑板、12-旋转电机、13-托盘连接头以及14-连接头转轴。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

为了能实现真空环境中的低温甚至是常温的晶圆直接键合，本发明的所述低温键合方法包括如下步骤：

具体地，真空腔室可以采用现有常用的结构形式，通过键合夹具能实现第一晶圆、第二晶圆在真空腔室内的键合过程，第一晶圆与第二晶圆的材料相同，第一晶圆、第二晶圆可以为硅晶圆或玻璃片。利用真空泵能实现对真空腔室进行抽真空，在达到所需的真空状态后(一般地，真空腔室内的真空状态，具体是指真空度小于10^-3Pa)，第一晶圆、第二晶圆相应的键合界面通过键合夹具能裸露于真空腔室的真空环境中(真空腔室内的温度一般为25℃)。

具体地，所述引入真空腔体内的工作气体为氧气、氩气或氮气，在将工作气体引入真空腔室内后且达到所需的工作压力(一般地，工作压力为10^-2Pa左右)后，启动等离子体源，等离子体源可以采用现有常用的形式，利用等离子体源对真空腔室内的工作气体处理后能产生工作气体的等离子体，从而利用工作气体的等离子体能对第一晶圆、第二晶圆的键合界面进行活化处理，其中，对第一晶圆、第二晶圆相应键合界面的活化处理时间为10s～300s。本发明实施例中，对第一晶圆、第二晶圆相应的键合界面进行活化处理后，能促进第一晶圆、第二晶圆相应键合界面的晶圆表面悬挂键的形成，在第一晶圆、第二晶圆相应的键合界面形成晶圆表面悬挂键后且第一晶圆与第二晶圆相应的键合界贴合接触时，利用晶圆表面悬挂键能有效实现第一晶圆与第二晶圆的常温或低温状态下的键合。

本发明实施例中，第一晶圆的键合界面具体是指第一晶圆需要与第二晶圆键合时的表面，同理，第二晶圆的键合界面是指第二晶圆需要与第一晶圆键合时的表面。

具体地，在对第一晶圆、第二晶圆相应的键合界面进行活化处理完成后，关闭等离子体源，并停止工作气体引入真空腔室内；在停止将工作气体引入真空腔室内且经过一段时间(如6s～10s)后，能使得真空腔室恢复至所需的真空状态(所述的真空状态，具体是指真空腔室内的真空度小于10^-3Pa；本发明实施例中，停止将工作气体引入真空腔室内后，工作气体能很快被抽干净，真空腔室内没有工作气体)，能提供后续键合所需的真空环境。

本发明实施例中，通过键合夹具使得第一晶圆的键合界面与第二晶圆的键合界面贴合接触至所需的时间后，由上述说明可知，利用晶圆表面悬挂键，能使得第一晶圆与第二晶圆在当前温度下键合固定；其中，在键合夹具内，第一晶圆的键合界面与第二晶圆的键合界面的贴合接触时间为5min～10min。由上述说明可知，当第一晶圆、第二晶圆为晶圆片时，所述第一晶圆与第二晶圆间为硅-硅键合。当第一晶圆、第二晶圆为玻璃片时，则第一晶圆与第二晶圆间为玻璃片-玻璃片键合固定。

本发明实施例中，关闭真空泵，并采用本技术领域常用的技术手段实现对真空腔室的破真空处理，控制键合夹具打开后，能取出键合连接后的第一晶圆与第二晶圆，从而完成整个晶圆的低温键合或常温键合。

下面通过实施例1以及实施例2对上述晶圆键合的过程进行详细说明。

实施例1

步骤1、对具有键合夹具的真空腔室，打开真空腔室后，将第一硅晶圆和第二硅晶圆放入键合夹具后，关闭真空腔室，利用干泵对真空腔室进行抽真空，以使得真空腔室的压力低于100Pa；然后打开分子泵，使得真空腔室的压力低于10^-3Pa；

步骤2、打开气体流量计，向真空腔室内引入O₂气体，在引入O₂气体后，使得真空腔室的压力10^-2Pa，打开等离子体源，保证放电电流∽10A，放电电压∽100V，从而能在真空腔室内产生工作气体的等离子体，利用工作气体的等离子体能对第一硅晶圆、第二硅晶圆相对应的键合界面进行活化处理，活化时间10∽300s；

步骤3、关闭等离子体源，关闭气体流量计，等待10～60s后，使得真空腔室的压力重新低于10^-3Pa；

步骤4、通过键合夹具使得第一硅晶圆与第二硅晶圆贴合接触，并保持5分钟～10分钟，从而能使得第一硅晶圆与第二硅晶圆键合固定。

步骤5、关闭分子泵和干泵，等分子泵完全停止工作后，对真空腔室破真空，打开键合夹具，取出键合后的第一硅晶圆与第二硅晶圆，完成硅-硅晶圆常温直接键合过程。

实施例2

对具有键合夹具的真空腔室，打开真空腔室后，将第一玻璃片和第二玻璃片放入键合夹具后，关闭真空腔室，利用干泵对真空腔室进行抽真空，以使得真空腔室的压力低于100Pa；然后打开分子泵，使得真空腔室的压力低于10^-3Pa；

步骤2、打开气体流量计，向真空腔室内引入N₂气体，在引入N₂气体后，使得真空腔室的压力10^-2Pa，打开等离子体源，保证放电电流∽10A，放电电压∽100V，从而能在真空腔室内产生工作气体的等离子体，利用工作气体的等离子体能对第一玻璃片、第二玻璃片相对应的键合界面进行活化处理，活化时间10∽300s；

步骤4、通过键合夹具使得第一玻璃片与第二玻璃片贴合接触，并保持5分钟～10分钟，从而能使得第一玻璃片与第二玻璃片键合固定。

步骤5、关闭分子泵和干泵，等分子泵完全停止工作后，对真空腔室破真空，打开键合夹具，取出键合后的第一玻璃片与第二玻璃片，完成硅-硅晶圆常温直接键合过程。

上述实施1和实施例2中，分子泵、干泵以及气体流量计均可以采用现有常用的结构形式，具体工作过程等均为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

如图1、图2、图3和图4所示，所述键合夹具包括用于收容待低温键合晶圆组的晶圆收容器、用于支撑所述晶圆收容器的支撑座6以及用于控制晶圆收容器开闭状态的容器开闭连杆机构，所述支撑座6通过旋转支撑板11安装于旋转电机12上，通过旋转电机12能驱动支撑座6与晶圆收容器同步转动。

本发明实施例中，通过晶圆片收容器能实现对待低温键合的晶圆组收纳，晶圆组包括两个晶圆片2，以便进行晶圆片激活以及后续低温键合工艺，在具体使用时，晶圆片收容器、支撑座6以及旋转电机12需要置于真空腔室的真空环境中。通过容器开闭连接机构能控制晶圆片收容器的打开或闭合，一般地，在晶圆片收容器内收容两片晶圆片2，当晶圆片收容器处于打开状态，且通过旋转电机12驱动支撑座6以及晶圆片收容器同步转动时，则能使得晶圆片2的键合面被激活的更均匀。在激活后，晶圆片收容器在容器开闭连杆机构的作用下缓慢闭合，从而能使得晶圆片收容器内的两个晶圆片贴合，从而能完成低温键合工艺。具体实施时，两片的晶圆片2即为上述的第一晶圆以及第二晶圆，晶圆片2可以为硅晶圆或玻璃片。

进一步地，所述容器开闭连杆机构包括位于晶圆收容器下方的拉杆10以及位于所述拉杆10一端部的连接杆9，在所述连接杆9的端部均设置连接臂8，所述连接臂8的一端与连接杆9铰接，连接臂8的另一端与托盘连接头13的一端铰接，所述两托盘连接头13的另一端与晶圆收容器适配连接，通过拉杆10带动连接杆9运动时，通过连接臂8、托盘连接头13与晶圆收容器配合能使得晶圆收容器处于张开状态或闭合状态。

本发明实施例中，所述拉杆10贯穿旋转电机12以及旋转支撑板11，拉杆10与旋转支撑板11呈同轴分布，拉杆10的轴线与连接杆9的轴线相互垂直。拉杆10的下端位于旋转电机12的下方，拉杆10的上端位于支撑座6内。连接臂8的一端与连接杆9铰接，连接臂8的另一端通过连接臂转轴7与托盘连接头13铰接，托盘连接头13与晶圆片收容器适配连接。

初始状态下，晶圆片收容器处于打开状态，以便能将晶圆片2置于晶圆片收容器内，当晶圆片2置于晶圆片收容器内且跟随晶圆片收容器转动时，晶圆片2不会从晶圆片收容器内飞出，即晶圆片2能稳定于置于晶圆片收容器内，以实现对在真空腔室的真空环境下进行激活。当激活完成后，在真空环境下驱动拉杆10向远离晶圆片收容器的方向运动，通过托盘连接头13、连接臂8以及连接杆9与拉杆10组成的连杆形式，能使得晶圆片收容器缓慢闭合，晶圆片收容器缓慢闭合后，晶圆片收容器内的两个晶圆片2能相互贴合，从而能完成低温键合。

具体实施时，在支撑座6内还设置连接头转轴14，所述连接头转轴14贯穿托盘连接头13，且托盘连接头13能绕连接头转轴14转动。本发明实施例中，连接头转轴14的两端与支撑座6固定连接，两托盘连接头13均穿过托盘连接头13，能使得托盘连接头13能绕连接头转轴14转动，从而在托盘连接头13与连接臂8对应连接的端部向靠近旋转支撑板11的方向运动时，能使得晶圆片收容器缓慢闭合，而当托盘连接头13与连接臂8对应连接的端部向远离旋转支撑板11的方向运动时，能使得晶圆片收容器处于张开状态。在具体实施时，旋转电机12可以采用现有常用的形式，具体可以通过外购等形式获得，此处不再赘述。拉杆10的运动可以通过气缸或其他驱动形式实现，拉杆10的具体运动驱动形式可以根据需要进行选择，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

进一步地，所述晶圆收容器包括第一晶圆托盘1以及能与所述第一晶圆托盘1适配连接的第二晶圆托盘3，利用第一晶圆托盘1、第二晶圆托盘3能收容晶圆2，第一晶圆托盘1、第二晶圆托盘3能分别与一托盘连接头13连接。

本发明实施例中，第一晶圆片托盘1与第二晶圆片托盘3适配，通过第一晶圆片托盘1、第二晶圆片托盘3能分别实现对晶圆片2进行收容与支撑，当晶圆片收容器处于张开状态时，第一晶圆片托盘1与第二晶圆片托盘3间处于相对分离状态，此时，置于第一晶圆片托盘1、第二晶圆片托盘3内的晶圆片2的待键合界面处于裸露状态，在真空腔室的真空环境下开启等离子体源且引入工作气体时，能对晶圆片2进行激活，第一晶圆片托盘1、第二晶圆片托盘3在转动后，能使得晶圆片2的待键合面被激活的更加均匀，如图1和图2所示。当晶圆片收容器处于闭合状态时，第一晶圆片托盘1与第二晶圆片托盘3紧密接触，通过第一晶圆片托盘1与第二晶圆片托盘3之间的接触能使得两个晶圆片2能贴合，如图3和图4所示，进而完成低温键合工艺。

在每个托盘连接头13上均设置托盘支撑板4，通过托盘支撑板4能对与所述托盘支撑板4对应连接的第一晶圆片托盘1、第二晶圆片托盘3进行支撑，第一晶圆片托盘1、第二晶圆片托盘3与对应的托盘支撑板4通过托盘支撑紧固螺丝5固定连接。

本发明实施例中，为了提高对第一晶圆片托盘1、第二晶圆片托盘3支撑的稳定性，在第一晶圆片托盘1、第二晶圆片托盘3的背面均设置一个托盘支撑板4，每个托盘支撑板4通过托盘支撑紧固螺丝5能与相应的第一晶圆片托盘1、第二晶圆片托盘3固定。托盘支撑板4与相应的托盘连接头13连接，托盘连接头13运动时，能通过托盘支撑板4带动第一晶圆片托盘1、第二晶圆片托盘3同步运动。

本发明第一晶圆、第二晶圆通过键合夹具置于真空腔室内，通过对真空腔室内的第一晶圆、第二晶圆进行活化处理后，利用键合夹具能使得第一晶圆、第二晶圆相应的键合界面贴合接触，在保持所需的时间后能实现第一晶圆与第二晶圆的键合，在整个键合过程中真空腔室的温度可以保持为常温，这样在键合过程中能避免高温对温度敏感材料或结构的破坏，而且适用于热膨胀系数差异较大的晶圆之间的键合，避免了热膨胀系数大的晶圆材料之间出现严重的热应力导致损害器件，导致器件失效的情况，键合质量好，键合材料限制少，从而在微机电系统等许多领域能广泛的应用。

Claims

1.一种真空环境下晶圆低温键合方法，其特征是，所述低温键合方法包括如下步骤：

步骤5、对上述真空腔室进行破真空处理，打开键合夹具并取出键合连接后的第一晶圆与第二晶圆；

所述键合夹具包括用于收容待低温键合晶圆组的晶圆收容器、用于支撑所述晶圆收容器的支撑座（6）以及用于控制晶圆收容器开闭状态的容器开闭连杆机构，所述支撑座（6）通过旋转支撑板（11）安装于旋转电机（12）上，通过旋转电机（12）能驱动支撑座（6）与晶圆收容器同步转动。

2.根据权利要求1所述的真空环境下晶圆低温键合方法，其特征是：所述第一晶圆与第二晶圆间为硅-硅键合，或第一晶圆与第二晶圆间为玻璃片-玻璃片键合固定。

3.根据权利要求1所述的真空环境下晶圆低温键合方法，其特征是：所述引入真空腔室内的工作气体为氧气、氩气或氮气。

4.根据权利要求1所述的真空环境下晶圆低温键合方法，其特征是：步骤2中，对第一晶圆、第二晶圆相应键合界面的活化处理时间为10s~300s；步骤4中，在键合夹具内，第一晶圆的键合界面与第二晶圆的键合界面的贴合接触时间为5min~10min。

5.根据权利要求1所述的真空环境下晶圆低温键合方法，其特征是：所述容器开闭连杆机构包括位于晶圆收容器下方的拉杆（10）以及位于所述拉杆（10）一端部的连接杆（9），在所述连接杆（9）的端部均设置连接臂（8），所述连接臂（8）的一端与连接杆（9）铰接，连接臂（8）的另一端与托盘连接头（13）的一端铰接，所述托盘连接头（13）的另一端与晶圆收容器适配连接，通过拉杆（10）带动连接杆（9）运动时，通过连接臂（8）、托盘连接头（13）与晶圆收容器配合能使得晶圆收容器处于张开状态或闭合状态。

6.根据权利要求5所述的真空环境下晶圆低温键合方法，其特征是：所述晶圆收容器包括第一晶圆托盘（1）以及能与所述第一晶圆托盘（1）适配连接的第二晶圆托盘（3），利用第一晶圆托盘（1）、第二晶圆托盘（3）能收容晶圆（2），第一晶圆托盘（1）、第二晶圆托盘（3）能分别与一托盘连接头（13）连接。

7.根据权利要求6所述的真空环境下晶圆低温键合方法，其特征是：在每个托盘连接头（13）上均设置托盘支撑板（4），通过托盘支撑板（4）能对与所述托盘支撑板（4）对应连接的第一晶圆托盘（1）、第二晶圆托盘（3）进行支撑，第一晶圆托盘（1）、第二晶圆托盘（3）与对应的托盘支撑板（4）通过托盘支撑紧固螺丝（5）固定连接。

8.根据权利要求5所述的真空环境下晶圆低温键合方法，其特征是：所述连接臂（8）通过连接臂转轴（7）与托盘连接头（13）铰接；在支撑座（6）内还设置连接头转轴（14），所述连接头转轴（14）贯穿托盘连接头（13），且托盘连接头（13）能绕连接头转轴（14）转动。

9.根据权利要求5所述的真空环境下晶圆低温键合方法，其特征是：所述拉杆（10）贯穿旋转电机（12）以及旋转支撑板（11），拉杆（10）与旋转支撑板（11）呈同轴分布，拉杆（10）的轴线与连接杆（9）的轴线相互垂直。