CN111223810A - 一种晶圆键合加压装置、晶圆键合的方法及晶圆键合设备 - Google Patents

一种晶圆键合加压装置、晶圆键合的方法及晶圆键合设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种晶圆键合加压装置，所述晶圆键合加压装置的压头包括至少两个的子压头；每个所述子压头对待键合晶圆施加压力的区域不相同，使得在加压键合过程中，待键合晶圆的键合前沿点可逐步延伸至所述待键合晶圆的各个边缘。本发明通过将压头分成多个子压头，实现对所述待键合晶圆的不同区域的逐次加压，使得所述待键合晶圆上的键合前沿点逐渐向所述待键合晶圆的边缘延伸，不会在键合过程中在所述待键合晶圆的非边缘处形成气泡，影响成品的键合效果，不会出现某一点压力过高导致所述待键合晶圆破损的情况，提升了最终成品的良品率，降低了一定量成品所需的材料成本。本发明同时还提供了一种具有上述有益效果的晶圆键合的方法及晶圆键合设备。

Description

一种晶圆键合加压装置、晶圆键合的方法及晶圆键合设备
技术领域
本发明涉及集成电路领域，特别是涉及一种晶圆键合加压装置、晶圆键合的方法及晶圆键合设备。
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。
SIMOX技术需要高温离子注入和后续超高温退火，这种技术会对SIMOX材料有损坏。由于材料质量的稳定性没有保证，导致最终成品的良品率下降从而使得成本在增加。晶圆键合技术(Wafer Bonding)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。但现有晶圆键合技术中，若想要避免高温加工给警员带来的破坏，则需要采用加压键合，现有加压键合方案键合前沿点不可控制，容易由于键合不紧密导致形成气泡，从而使最终成品的良品率下降；虽然点压能解决出现气泡的问题，但由于施力面积太小，难以施加较高的均匀压力，容易造成晶圆的破损最终导致键合失败。
发明内容
本发明的目的是提供一种晶圆键合加压装置、晶圆键合的方法及晶圆键合设备，以解决现有技术中加压过程中压力施加不均，且键合前沿点不可控制，容易形成气泡导致键合不紧密的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种晶圆键合加压装置，其特征在于，所述晶圆键合加压装置的压头包括至少两个的子压头；
每个所述子压头对待键合晶圆施加压力的区域不相同，使得在加压键合过程中，待键合晶圆的键合前沿点可逐步延伸至所述待键合晶圆的各个边缘。
可选地，在所述晶圆键合加压装置中，所述子压头为嵌套设置的子压头。
可选地，在所述晶圆键合加压装置中，所述子压头为同心子压头。
可选地，在所述晶圆键合加压装置中，所述同心子压头为同心空心圆柱状子压头。
可选地，在所述晶圆键合加压装置中，所述子压头的数量为3至5个。
本发明还提供了一种晶圆键合的方法，包括：
提供待键合晶圆；
在预设温度下，使用上述任一种所述的晶圆键合加压装置对所述待键合晶圆加压，具体操作为依次使用不同子压头逐渐向所述待键合晶圆的边缘加压，使所述待键合晶圆的键合前沿点逐步延伸至所述待键合晶圆的各个边缘；
对经过加压处理的待键合晶圆进行退火处理，得到键合后的晶圆。
可选地，在所述晶圆键合加压装置的制作方法中，所述待键合晶圆在进行加压处理前，还包括：
对所述晶圆进行表面抛光和表面清洁处理。
可选地，在所述晶圆键合加压装置的制作方法中，所述预设温度为25摄氏度至150摄氏度，包括端点值。
本发明还提供了一种晶圆键合设备，所述晶圆键合设备包括上述任一种所述的晶圆键合加压装置。
本发明所提供的晶圆键合加压装置，所述晶圆键合加压装置的压头包括至少两个的子压头；每个所述子压头对待键合晶圆施加压力的区域不相同，使得在加压键合过程中，待键合晶圆的键合前沿点可逐步延伸至所述待键合晶圆的各个边缘。本发明通过将压头分成多个子压头，实现对所述待键合晶圆的不同区域的逐次加压，使得所述待键合晶圆上的键合前沿点逐渐向所述待键合晶圆的边缘延伸，即保证所述键合前沿点的延伸方向始终朝向所述待键合晶圆的边缘，不会在键合过程中在所述待键合晶圆的非边缘处形成气泡，影响成品的键合效果，同时，所述子压头并非点压式压头，与所述待键合晶圆的接触方式为面接触，因此不会出现某一点压力过高导致所述待键合晶圆破损的情况，提升了最终成品的良品率，进而降低了一定量成品所需的材料成本。
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为本发明所提供的晶圆键合加压装置的一种具体实施方式的压头的俯视结构示意图；
图2为本发明所提供的晶圆键合加压装置的另一种具体实施方式的压头的俯视结构示意图；
图3为本发明所提供的晶圆键合加压装置的又一种具体实施方式的压头的俯视结构示意图；
图4为本发明所提供的晶圆键合加压装置的又一种具体实施方式的单个子压头的立体图；
图5为本发明所提供的晶圆键合加压装置的又一种具体实施方式的结构示意图；
图6为本发明所提供的晶圆键合的方法的一种具体实施方式的流程示意图。
具体实施方式
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对微机电系统器件(MEMS)性能造成不利影响，比如高温对晶圆上的温度敏感电路和微结构造成热损坏(如超过400℃的高温就会对CMOS铝电路造成破坏)；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两个晶圆，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。
近年来提出了低温晶圆键合的思想，低温晶圆键合主要有低温焊料键合、黏胶键合、表面活化键合等。但是由于黏胶键合和低温焊料键合的键合强度较低，器件使用温度有限，应用受到很大限制。低温表面活化键合由于表面活化处理和低温退火，从而使得键合强度能够满足后续的器件制作。
本发明基于表面活化键合，采用特殊结构对于晶圆之间施加均匀的压力，使得键合更可靠。另外，本方案对于键合前沿点的推进提出了新的解决方案，减少了真空气泡的产生，有效提高键合质量。
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。
本发明的核心是提供一种晶圆键合加压装置，其具体实施方式一的压头的俯视结构示意图如图1所示，所述晶圆键合加压装置的压头包括至少两个的子压头；
每个所述子压头对待键合晶圆施加压力的区域不相同，使得在加压键合过程中，待键合晶圆的键合前沿点可逐步延伸至所述待键合晶圆的各个边缘。
如图1所示，本具体实施方式中的压头共包括三个子压头，分别为第一子压头101、第二子压头102及第三子压头103，在晶圆键合的过程中，可以由上述待键合晶圆的一侧逐渐向另一侧加压键合，如先以第一子压头101对上述待键合晶圆加压，保证加压区域内上述待键合晶圆完成键合，再换用第二子压头102对上述待键合晶圆加压，最后用第三子压头103对上述待键合晶圆加压，上述流程可保证上述待键合晶圆的键合前沿点由上述待键合晶圆的一侧(即第一子压头101在上述待键合晶圆上的作用区域)，逐渐延伸至上述待键合晶圆的另一端(即第三子压头103在上述待键合晶圆上的作用区域)。
除上述使用方法外，还可在晶圆键合的过程中，由上述待键合晶圆的中心向两侧加压键合，如先以第二子压头102对上述待键合晶圆加压，保证加压区域内上述待键合晶圆完成键合，再换用第一子压头101对上述待键合晶圆加压，最后用第三子压头103对上述待键合晶圆加压，具体过程与上述流程相同，在此不再赘述。
本具体实施方式提供的晶圆键合加压装置，不需要各个子压头在上述待键合晶圆上的对应区域完全覆盖上述待键合晶圆，因为上述待键合晶圆为刚性，上述压头与上述待键合晶圆的接触区域周边也有足够的压力可使其完成键合。
上述晶圆键合加压装置的子压头的数量越多，越不容易出现气泡，待键合晶圆的键合品质就越好，经过理论推导和实际检验，为了使制造成本不会过高，一般子压头数量为3至5个。
本发明所提供的晶圆键合加压装置，所述晶圆键合加压装置的压头包括至少两个的子压头；每个所述子压头对待键合晶圆施加压力的区域不相同，使得在加压键合过程中，待键合晶圆的键合前沿点可逐步延伸至所述待键合晶圆的各个边缘。本发明通过将压头分成多个子压头，实现对所述待键合晶圆的不同区域的逐次加压，使得所述待键合晶圆上的键合前沿点逐渐向所述待键合晶圆的边缘延伸，即保证所述键合前沿点的延伸方向始终朝向所述待键合晶圆的边缘，不会在键合过程中在所述待键合晶圆的非边缘处形成气泡，影响成品的键合效果，同时，所述子压头并非点压式压头，与所述待键合晶圆的接触方式为面接触，因此不会出现某一点压力过高导致所述待键合晶圆破损的情况，提升了最终成品的良品率，进而降低了一定量成品所需的材料成本。
在上述具体实施方式的基础上，进一步对上述压头的形状做限定，得到具体实施方式二，其各个子压头的俯视图如图2所示，所述晶圆键合加压装置的压头包括至少两个的子压头；
每个所述子压头对待键合晶圆施加压力的区域不相同，使得在加压键合过程中，待键合晶圆的键合前沿点可逐步延伸至所述待键合晶圆的各个边缘；
所述子压头为同心柱状子压头。
本具体实施方式与上述具体实施方式的不同之处在于，本具体实施方式限定了上述子压头的形状，进而限定了上述子压头在上述待键合晶圆上的作用区域，其他结构均与上述具体实施方式相同，在此不展开赘述。
本具体实施方式所提供的晶圆键合加压装置，其压头为多个同心圆柱，在加压过程中，先使用第一子压头201对上述待键合晶圆进行加压键合，之后换用第二子压头202，最后换用第三子压头203，保证上述待键合晶圆的键合前沿点可由上述待键合晶圆中心逐渐扩散至边缘。
本具体实施方式中，由于采用了同心圆柱状子压头，使得施加压力的中心点始终在所述待键合晶圆的中心，上述待键合晶圆受力均匀，不易发生相对滑动，加压键合过程中更稳定，最终成品良品率更高。
在上述具体实施方式的基础上，进一步对上述压头的形状做限定，得到具体实施方式三，其压头的俯视结构示意图如图3所示，所述晶圆键合加压装置的压头包括至少两个的子压头；
每个所述子压头对待键合晶圆施加压力的区域不相同，使得在加压键合过程中，待键合晶圆的键合前沿点可逐步延伸至所述待键合晶圆的各个边缘；
所述子压头为嵌套设置的子压头；
所述子压头为同心空心柱状子压头。
本具体实施方式与上述具体实施方式的不同之处在于，本具体实施方式限定了上述子压头的形状，进而限定了上述子压头在上述待键合晶圆上的作用区域，其他结构均与上述具体实施方式相同，在此不展开赘述。
本具体实施方式将具体实施方式二中的同心子压头换成了同心空心柱状子压头，且上述同心空心柱状子压头为嵌套设置的子压头，单个子压头的立体图如图4所示，单个子压头设置在上述晶圆键合加压装置上时，装置的结构示意图如图5所示。
本具体实施方式采用了嵌套式压头，对比具体实施方式二，不再对已经键合的区域再次施压，因此也节省了子压头用料，节约了成本，同时，嵌套式结构允许所有子压头一次全部组装在上述晶圆键合加压装置的固定槽和压头固定板上，通过机械装置传动或电子程序控制，使其子压头按照第一子压头301、第二子压头302及第三子压头依次与上述待键合晶圆接触并施压，避免了不同压头依次施压的过程中，子压头需要频繁替换的问题，简化了工艺流程，提升了效率。
本发明还提供了一种晶圆键合的方法，其具体实施方式四的流程示意图如图6所示，包括：
步骤S101：提供待键合晶圆。
步骤S102：在预设温度下，使用上述任一种晶圆键合加压装置对所述待键合晶圆加压，具体操作为依次使用不同子压头逐渐向所述待键合晶圆的边缘加压，使所述待键合晶圆的键合前沿点逐步延伸至所述待键合晶圆的各个边缘。
上述依次使用不同子压头逐渐向所述待键合晶圆的边缘加压，使所述待键合晶圆的键合前沿点逐步延伸至所述待键合晶圆的各个边缘的方法已在上述各具体实施例中进行过举例说明，在此不再展开赘述。
步骤S103：对经过加压处理的待键合晶圆进行退火处理，得到键合后的晶圆。
上述待键合晶圆在进行加压处理前，还包括对所述晶圆进行表面抛光和表面清洁处理。
上述预设温度为25摄氏度至150摄氏度，包括端点值，如25.0摄氏度、100.2摄氏度或150.0摄氏度中任一个。
以上述具体实施方式三所述的晶圆键合加压装置举例，如图5所示加压杆由外部传动装置施加可控的均匀压力，空心圆柱状子压头被压头固定板锁在固定槽内，待键合晶圆通常平稳放置于底板的凹槽内。
由机械传动装置给加压杆缓慢均匀增压，将压力传导到压头和待键合晶圆上，随着压力增大，压头将固定在晶圆中心某处，持续对晶圆施加键合所需的压力。在这一过程中，键合前沿点在晶圆中心形成，并向晶圆边缘均匀扩散。
当键合面扩散到一定位置时，换用半径更大的同心圆压头重复以上的操作，使键合面进一步向晶圆边缘扩散，直至键合完成。
本发明所提供的晶圆键合的方法，通过提供待键合晶圆；在预设温度下，使用上述任一种晶圆键合加压装置对所述待键合晶圆加压，具体操作为依次使用不同子压头逐渐向所述待键合晶圆的边缘加压，使所述待键合晶圆的键合前沿点逐步延伸至所述待键合晶圆的各个边缘；对经过加压处理的待键合晶圆进行退火处理，得到键合后的晶圆。本发明通过将压头分成多个子压头，实现对所述待键合晶圆的不同区域的逐次加压，使得所述待键合晶圆上的键合前沿点逐渐向所述待键合晶圆的边缘延伸，即保证所述键合前沿点的延伸方向始终朝向所述待键合晶圆的边缘，不会在键合过程中在所述待键合晶圆的非边缘处形成气泡，影响成品的键合效果，同时，所述子压头并非点压式压头，与所述待键合晶圆的接触方式为面接触，因此不会出现某一点压力过高导致所述待键合晶圆破损的情况，提升了最终成品的良品率，进而降低了一定量成品所需的材料成本。
本发明还提供了一种晶圆键合设备，所述晶圆键合设备包括上述任一种晶圆键合加压装置。其他部分的结构请参考现有技术，在此不再展开赘述。
本发明所提供的晶圆键合设备，通过将压头分成多个子压头，实现对所述待键合晶圆的不同区域的逐次加压，使得所述待键合晶圆上的键合前沿点逐渐向所述待键合晶圆的边缘延伸，即保证所述键合前沿点的延伸方向始终朝向所述待键合晶圆的边缘，不会在键合过程中在所述待键合晶圆的非边缘处形成气泡，影响成品的键合效果，同时，所述子压头并非点压式压头，与所述待键合晶圆的接触方式为面接触，因此不会出现某一点压力过高导致所述待键合晶圆破损的情况，提升了最终成品的良品率，进而降低了一定量成品所需的材料成本。
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。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
需要说明的是，在本说明书中，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晶圆键合加压装置及其制作方法、晶圆键合设备进行了详细介绍。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 (9)

1.一种晶圆键合加压装置，其特征在于，所述晶圆键合加压装置的压头包括至少两个的子压头；
每个所述子压头对待键合晶圆施加压力的区域不相同，使得在加压键合过程中，待键合晶圆的键合前沿点可逐步延伸至所述待键合晶圆的各个边缘。
2.如权利要求1所述的晶圆键合加压装置，其特征在于，所述子压头为嵌套设置的子压头。
3.如权利要求2所述的晶圆键合加压装置，其特征在于，所述子压头为同心子压头。
4.如权利要求3所述的晶圆键合加压装置，其特征在于，所述同心子压头为同心空心圆柱状子压头。
5.如权利要求1至4任一条所述的晶圆键合加压装置，其特征在于，所述子压头的数量为3至5个。
6.一种晶圆键合的方法，其特征在于，包括：
提供待键合晶圆；
在预设温度下，使用如权利要求1至5中任一种晶圆键合加压装置对所述待键合晶圆加压，具体操作为依次使用不同子压头逐渐向所述待键合晶圆的边缘加压，使所述待键合晶圆的键合前沿点逐步延伸至所述待键合晶圆的各个边缘；
对经过加压处理的待键合晶圆进行退火处理，得到键合后的晶圆。
7.如权利要求6所述的晶圆键合的方法，其特征在于，所述待键合晶圆在进行加压处理前，还包括：
对所述晶圆进行表面抛光和表面清洁处理。
8.如权利要求6所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述预设温度为25摄氏度至150摄氏度，包括端点值。
9.一种晶圆键合设备，其特征在于，所述晶圆键合设备包括如权力要求1至5任一项所述的晶圆键合加压装置。
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