CN111217324A - 一种阳极键合方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种阳极键合方法，在键合时会将金属层与电极相接触，同时该电极会与直流电源的正极电连接；并将待键合晶圆与底盘相接触，同时该底盘会与直流电源的负极电连接。在键合过程中，会通过直流电源在电极以及底盘之间施加预设电压以形成电场，从而使金属层和待键合晶圆处于该电场中。该电场可以通过例如加快待键合晶圆以及金属层之间反应速率等方式来加快键合进程，从而可以有效降低阳极键合时所需要的温度。

Description

一种阳极键合方法
技术领域
本发明涉及集成电路制备领域，特别是涉及一种阳极键合方法。
背景技术
随着集成电路的发展，绝缘体硅(SOI)技术被业界公认为纳米技术时代取代现有单晶硅材料的解决方案之一，是维持摩尔定律走势的一大利器。
SOI材料是SOI技术发展的基础，高质量的SOI材料一直是制约SOI技术进入大规模工业生产的首要因素。近年来，随着SOI材料制备技术的不断成熟，制约SOI技术发展的材料问题正逐步被解决。SOI材料的制备技术归根结底包括两种，即以离子注入为代表的注氧隔离技术(Sepration-by-oxygen implantation)，即SIMOX和晶圆键合技术。
其中晶圆键合技术是利用两片镜面抛光的、干净的晶圆表面结合在一起。采用晶圆键合与减薄技术形成SOI结构时，不仅具有工艺简单、成本低廉、对器件无损伤等优点，且制备出的SOI材料仍然具有优良特性。目前晶圆键合技术主要包括阳极键合、硅片直接键合、共晶键合、热压键合、金属键合、玻璃焊料键合等，上述的晶圆键合技术都涉及到高温退火处理，工艺时间长，键合过程中产生的高温会对MEMS器件性能造成不利影响，比如高温会对晶圆上的温度敏感电路和微结构造成热损坏；高温易引入杂质，造成衬底掺杂的重新分布；对于热膨胀系数差异较大的晶圆与金属，经过高温处理后会导致很大的变形和残余热应力，直接影响到器件性能和封装成品率。
所以如何提供一种适用于低温的阳极键合方法是本领域技术人员急需解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种阳极键合方法，在将金属层与待键合晶圆相互键合时可以有效降低键合所需的温度。
为解决上述技术问题，本发明提供一种阳极键合方法，包括：
在相对设置的电极与底盘之间设置金属层和待键合晶圆；其中，所述金属层与所述电极相接触，所述待键合晶圆与所述底盘相接触，所述金属层与所述待键合晶圆相对设置；所述电极与直流电源负极电连接，所述底盘与直流电源正极电连接；
在预设温度以及预设电压下将所述金属层与所述待键合晶圆相互压合，以使所述金属层与所述待键合晶圆相互键合。
可选的，所述在预设温度以及预设电压下将所述金属层与所述待键合晶圆相互压合包括：
在预设温度以及预设电压下将所述金属层与所述待键合晶圆相互压合；其中，所述预设电压的取值范围为5000V至30000V之间，包括端点值。
可选的，所述在预设温度以及预设电压下将所述金属层与所述待键合晶圆相互压合包括：
在预设温度以及预设电压下将所述金属层与所述待键合晶圆相互压合；其中，所述金属层与所述待键合晶圆之间压强的取值范围为0.01Mpa至20Mpa，包括端点值。
可选的，所述在预设温度以及预设电压下将所述金属层与所述待键合晶圆相互压合包括：
在预设温度以及预设电压下将所述金属层与所述待键合晶圆相互压合；其中，所述预设温度的取值范围为20℃至300℃，包括端点值。
可选的，在所述在预设温度以及预设电压下将所述金属层与所述待键合晶圆相互压合之前，所述方法还包括：
在所述金属层与所述待键合晶圆之间设置胶黏剂。
可选的，所述胶黏剂为水玻璃。
可选的，所述水玻璃的浓度的取值范围为0.1％至20％，包括端点值。
可选的，所述水玻璃的厚度的取值范围为10μm至500μm，包括端点值。
本发明所提供的一种阳极键合方法，在键合时会将金属层与电极相接触，同时该电极会与直流电源的正极电连接；并将待键合晶圆与底盘相接触，同时该底盘会与直流电源的负极电连接。在键合过程中，会通过直流电源在电极以及底盘之间施加预设电压以形成电场，从而使金属层和待键合晶圆处于该电场中。该电场可以通过例如加快待键合晶圆以及金属层之间反应速率等方式来加快键合进程，从而可以有效降低阳极键合时所需要的温度。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1至图2为本发明实施例所提供的一种阳极键合方法的工艺流程图；
图3至图4为本发明实施例所提供的一种具体的阳极键合方法的工艺流程图。
图中：1.金属层、2.待键合晶圆、3.电极、4.底盘、5.加压杆、6.胶黏剂。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种阳极键合方法。在现有技术中，再进行阳极键合时，通常是通过高温的方式提高晶圆以及金属层之间的表面活性，从而实现晶圆与金属层之间键合。但是键合过程中产生的高温会对MEMS器件性能造成不利影响，比如高温会对晶圆上的温度敏感电路和微结构造成热损坏；高温易引入杂质，造成衬底掺杂的重新分布；对于热膨胀系数差异较大的晶圆与金属层，经过高温处理后会导致很大的变形和残余热应力，直接影响到器件性能和封装成品率。
而本发明所提供的一种阳极键合方法，在键合时会将金属层与电极相接触，同时该电极会与直流电源的正极电连接；并将待键合晶圆与底盘相接触，同时该底盘会与直流电源的负极电连接。在键合过程中，会通过直流电源在电极以及底盘之间施加预设电压以形成电场，从而使金属层和待键合晶圆处于该电场中。该电场可以通过例如加快待键合晶圆以及金属层之间反应速率等方式来加快键合进程，从而可以有效降低阳极键合时所需要的温度。
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参考图1至图2，图1至图2为本发明实施例所提供的一种阳极键合方法的工艺流程图。
参见图1，在本发明实施例中，所述阳极键合方法包括：
S101：在相对设置的电极与底盘之间设置金属层和待键合晶圆。
在本发明实施例中，所述金属层1与所述电极3相接触，所述待键合晶圆2与所述底盘4相接触，所述金属层1与所述待键合晶圆2相对设置；所述电极3与直流电源负极电连接，所述底盘4与直流电源正极电连接。
在本发明实施例中，电极3与底盘4相对设置。通常情况下，上述电极3以及底盘4均是由导电材料制备而成，以便在通电情况下，在电极3以及底盘4之间可以形成电场。在本发明实施例中，上述电极3通常与直流电源的负极电连接，而上述底盘4通常与直流电源的正极电连接，即在通电情况下，会在电极3与底盘4之间施加一个直流偏压，从而在电极3与底盘4之间形成电场。此时，该电场的强度与上述直流偏压以及底盘4与电极3之间的距离有关。有关电极3以及底盘4的具体材质可以参考现有技术，在此不再进行赘述。
在本步骤中，会将待键合晶圆2放置在底盘4朝向电极3一侧表面，使待键合晶圆2与底盘4相互接触；并将需要与待键合晶圆2相互键合的金属层1放置在电极3朝向底盘4一侧表面，使金属层1与电极3相接触。此时，金属层1通常会与电极3电连接。
需要说明的是，上述电极3与底盘4中的至少一个连接有加压杆5，其中连接有加压杆5的电极3或底盘4与加压杆5之间通常需要固定连接。通过加压杆5可以移动连接的电极3或底盘4，从而在下述步骤中可以使金属层1和待键合晶圆2相互贴合并对其施加压力。
还需要说明的是，在本步骤中，所述金属层1需要与所述待键合晶圆2相对设置，即通常需要保证待键合晶圆2与金属层1相互对位，以保证金属层1与待键合晶圆2之间的键合效果。
S102：在预设温度以及预设电压下将金属层与待键合晶圆相互压合，以使金属层与待键合晶圆相互键合。
参见图2，在本步骤中，通常是在预设温度以及预设电压下，通过上述加压杆5移动电极3或底盘4，使金属层1与待键合晶圆2相互压合并持续预设时间，以完成金属层1与待键合晶圆2之间的键合。在将金属层1与待键合晶圆2相互压合后，由于金属层1与待键合晶圆2位于由上述电极3与底盘4之间形成的电场中，该电场可以加快键合进程，从而可以有效降低上述压合时金属层1与待键合晶圆2所处的温度，即上述预设温度。
具体的，在本发明实施例中，在将金属层1与待键合晶圆2相互压合时，通常情况下上述预设电压的取值范围为5000V至30000V之间，包括端点值。即上述电极3与底盘4之间电位差的取值范围为5000V至30000V之间，包括端点值。当然，在本发明实施例中上述预设电压可以恰好为5000V或30000V。需要说明的是，在本发明实施例中与电极3和底盘4电连接的电源需要为直流电源，从而在电极3与底盘4之间形成稳定的电场。
具体的，在本发明实施例中，在将金属层1与待键合晶圆2相互压合时，所述金属层1与所述待键合晶圆2之间压强的取值范围通常为0.01Mpa至20Mpa，包括端点值。即上述金属层1与待键合晶圆2之间压强可以恰好为0.01Mpa或20Mpa。需要说明的是，在将金属层1与待键合晶圆2相互压合时，需要保证不会损坏上述金属层1与待键合晶圆2。
具体的，在上述条件下，在将金属层1与待键合晶圆2相互压合时，上述金属层1与待键合晶圆2所处的温度，即上述预设温度的取值范围通常为20℃至300℃，包括端点值。即在本发明实施例中，环境温度达到20℃至300℃之间时，即可完成金属层1与待键合晶圆2之间的键合。需要说明的是，上述预设温度可以恰好为20℃或300℃，其中温度越高，键合所需要的时间越短；温度越低，键合所需要的时间越长。
本发明实施例所提供的一种阳极键合方法，在键合时会将金属层1与电极3相接触，同时该电极3会与直流电源的正极电连接；并将待键合晶圆2与底盘4相接触，同时该底盘4会与直流电源的负极电连接。在键合过程中，会通过直流电源在电极3以及底盘4之间施加预设电压以形成电场，从而使金属层1和待键合晶圆2处于该电场中。该电场可以通过例如加快待键合晶圆2以及金属层1之间反应速率等方式来加快键合进程，从而可以有效降低阳极键合时所需要的温度。
为了进一步加快金属层1与待键合晶圆2之间键合的速率，降低其键合的温度，在本发明中可以进一步的在金属层1与待键合晶圆2设置胶黏剂6。详细内容请参考下述发明实施例。
请参考图3至图4，图3至图4为本发明实施例所提供的一种具体的阳极键合方法的工艺流程图。
参见图3，在本发明实施例中，所述阳极键合方法包括：
S201：在相对设置的电极与底盘之间设置金属层和待键合晶圆。
本步骤与上述发明实施例中S101基本相同，详细内容请参考上述发明实施例，在此不再进行展开描述。
S202：在金属层与待键合晶圆之间设置胶黏剂。
在本步骤中，具体会在金属层1朝向待键合晶圆2一侧表面设置上述胶黏剂6，或在待键合晶圆2朝向金属层1一侧表面设置胶黏剂6。当然，在本发明实施例中可以同时在金属层1以及待键合晶圆2的表面设置胶黏剂6。
需要说明的是，本步骤并不必须在S201之后执行，即在本发明实施例中可以先在金属层1的一个表面，或待键合晶圆2的一个表面涂布胶黏剂6；再分别将金属层1以及待键合晶圆2中未涂布胶黏剂6的表面分别与电极3和底盘4相吸附。通常情况下，在涂布胶黏剂6时需要保证胶黏剂6厚度均匀。
具体的，在本发明实施例中，上述胶黏剂6可以具体为水玻璃。所谓水玻璃即硅酸钠水溶液(Na2O·nSi(OH)4)。Na2O·nSi(OH)4是一种新型的胶黏剂6，对人体无毒害；同时相比于传统的胶黏剂6，水玻璃键更牢固，可以形成更平整的键合界面。
具体的，在本发明实施例中，在本步骤中涂布的水玻璃的浓度的取值范围通常为0.1％至20％，包括端点值。即上述水玻璃的浓度的取值可以恰好为0.1％或20％。具体的，在本发明实施例中，在本步骤中涂布的水玻璃的厚度的取值范围为10μm至500μm，包括端点值。即上述水玻璃的厚度的取值可以恰好为10μm或500μm。在将水玻璃的浓度以及厚度控制在上述范围内，可以保证水玻璃在具有一定的流动性的同时，可以将金属层1与待键合晶圆2牢固的相互键合。
S203：在预设温度以及预设电压下将金属层与待键合晶圆相互压合，以使金属层与待键合晶圆相互键合。
参见图4，具体的，在将金属层1与待键合晶圆2相互压合时，由于电极3和底盘4之间所形成的电场的作用，上述胶黏剂6中的离子，例如水玻璃中的Na+在电场所用下扩散的更快，即上述电场除了上述作用之外，还可以加速离子迁移速度，从而有效降低金属与待键合晶圆2之间键合所需的温度。具体的，上述水玻璃中的钠离子在本发明实施例中会向待负电的金属层1内扩散，从而形成新的合金化合物，进而形成牢固的胶接结构，有效降低金属与待键合晶圆2之间键合所需的温度。
本步骤的其余内容与上述发明实施例中S102基本相同，详细内容请参考上述发明实施例，在此不再进行赘述。
本发明实施例所提供的一种阳极键合方法，在将金属层1与待键合晶圆2相互压合之前，可以在金属层1与待键合晶圆2之间设置胶黏剂6，可以进一步降低阳极键合时所需要的温度。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
最后，还需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以上对本发明所提供的一种阳极键合方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种阳极键合方法，其特征在于，包括：
在相对设置的电极与底盘之间设置金属层和待键合晶圆；其中，所述金属层与所述电极相接触，所述待键合晶圆与所述底盘相接触，所述金属层与所述待键合晶圆相对设置；所述电极与直流电源负极电连接，所述底盘与直流电源正极电连接；
在预设温度以及预设电压下将所述金属层与所述待键合晶圆相互压合，以使所述金属层与所述待键合晶圆相互键合。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述在预设温度以及预设电压下将所述金属层与所述待键合晶圆相互压合包括：
在预设温度以及预设电压下将所述金属层与所述待键合晶圆相互压合；其中，所述预设电压的取值范围为5000V至30000V之间，包括端点值。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述在预设温度以及预设电压下将所述金属层与所述待键合晶圆相互压合包括：
在预设温度以及预设电压下将所述金属层与所述待键合晶圆相互压合；其中，所述金属层与所述待键合晶圆之间压强的取值范围为0.01Mpa至20Mpa，包括端点值。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述在预设温度以及预设电压下将所述金属层与所述待键合晶圆相互压合包括：
在预设温度以及预设电压下将所述金属层与所述待键合晶圆相互压合；其中，所述预设温度的取值范围为20℃至300℃，包括端点值。
5.根据权利要求1至4任一项权利要求所述的方法，其特征在于，在所述在预设温度以及预设电压下将所述金属层与所述待键合晶圆相互压合之前，所述方法还包括：
在所述金属层与所述待键合晶圆之间设置胶黏剂。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述胶黏剂为水玻璃。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述水玻璃的浓度的取值范围为0.1％至20％，包括端点值。
8.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述水玻璃的厚度的取值范围为10μm至500μm，包括端点值。
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