CN111916345A - 一种晶圆键合方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种晶圆键合方法及装置。该方法通过先将第一晶圆与第三晶圆键合、第二晶圆与第四晶圆键合，使得第一晶圆和第二晶圆的翘曲度降低；再进行第一晶圆和第二晶圆的键合，使得两者的键合均一性大幅度提高。在第一晶圆与第三晶圆键合、第二晶圆与第四晶圆键合后，对第一晶圆和第二晶圆进行化学抛光，得到键合区，使得该键合区不受破坏，从而保证了第一晶圆和第二晶圆的键合。该装置能够通过实施上述晶圆键合方法，将第一晶圆和第二晶圆进行键合。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，具体而言，涉及一种晶圆键合方法及装置。
背景技术
半导体制造中，经常需要将两片晶圆通过键合工艺键合在一起，晶圆由于多膜层工艺后其产生的应力的影响会产生晶圆翘曲，而晶圆的翘曲度会影响键合晶圆的均一性，尤其是三维集成电路中晶圆翘曲度偏高，键合后的晶圆均一性较差。
现有技术方案并未对晶圆翘曲进行特殊处理，现有工艺流程为：1)提供第一晶圆与第二晶圆；2)第一晶圆与第二晶圆进行正面键合；3)完成键合。
现有技术方案的缺点为，无法克服晶圆翘曲带来的键合区域对位偏差。第一晶圆与第二晶圆键合前，第一晶圆与第二晶圆经过多层薄膜的沉积，及其他制程工艺后，直接将第一晶圆与第二晶圆的正面进行键合，由于膜层与晶圆膨胀系数不同，所以晶圆会产生不同程度的翘曲，在键合的过程中，两片晶圆的对准精度较低，导致键合晶圆的均一性较差，从而导致晶圆键合后的性能不佳。
发明内容
为解决现有技术中由晶圆翘曲度不同导致的晶圆键合时对准精度低的问题，本发明提供了一种晶圆键合方法，通过先将两个晶圆分别与其他晶圆键合，再进行两者键合的方式，使得键合均一性提高，从而提高了晶圆键合质量。
本发明提供一种晶圆键合方法，包括如下步骤：
包括第一晶圆、第二晶圆、第三晶圆以及第四晶圆，所述第一晶圆和所述第二晶圆包括正面和背面。
将所述第一晶圆的背面与第三晶圆键合，将所述第二晶圆的背面与第四晶圆键合。
对所述第一晶圆和所述第二晶圆的正面进行化学抛光，得到正面键合区。
将所述第一晶圆的正面与所述第二晶圆的正面进行键合。
将所述第一晶圆与所述第三晶圆解键合，将所述第二晶圆与所述第四晶圆解键合。
进一步的，所述第三晶圆的翘曲度低于所述第一晶圆的翘曲度，所述第四晶圆的翘曲度低于所述第二晶圆的翘曲度。
进一步的，所述第三晶圆和第四晶圆为硅晶圆或氧化膜晶圆。
进一步的，所述键合实施前，对晶圆进行键合前处理，所述键合前处理包括以下步骤：
通过对键合腔室内进行抽气和放气过程，对晶圆表面进行活化处理；
在所述键合腔室内进行放电过程；
通过清洗工艺对晶圆进行亲水处理。
进一步的，所述抽气和放气过程为，将所述键合腔室抽气至1×10-4Pa之后，打开氮气进气系统进行放气，使气压回升；循环两次抽气和放气过程。
进一步的，当所述键合腔室内的氮气压力为1-10×10-2Pa时，开始进行放电过程。
进一步的，所述将所述第一晶圆的背面与第三晶圆键合，将所述第二晶圆的背面与第四晶圆键合的步骤包括：
固定所述第三晶圆和所述第四晶圆，将所述第一晶圆和所述第二晶圆的中心点分别从正面顶起，释放所述第一晶圆和所述第二晶圆，使所述第一晶圆与所述第三晶圆键合、所述第二晶圆与所述第四晶圆键合。
进一步的，所述化学抛光的磨料浓度为0-3vol％，压力为1-4KP，转速为30-60rpm，氧化剂浓度1-5vol％，螯合剂浓度1-5vol％。
进一步的，所述解键合步骤包括：
采用吸盘对所述第三晶圆和所述第四晶圆进行真空吸附固定，对所述第一晶圆和所述第二晶圆进行边缘夹持固定；
采用插刀插入所述第一晶圆和第三晶圆、所述第二晶圆和第四晶圆的键合面，产生开裂区域；
通过所述吸盘和所述插刀的作用使得所述开裂区域增大，直至所述第三晶圆与所述第一晶圆分离、所述第二晶圆与所述第四晶圆分离。
一种晶圆键合装置，该晶圆键合装置包括键合腔室、抛光装置以及清洗装置，第一晶圆、第二晶圆、第三晶圆以及第四晶圆位于键合腔室内进行键合、抛光以及清洗。
进一步的，所述键合腔室能够容纳至少四个晶圆；
所述键合腔室内设有吸盘，所述吸盘用于对所述第三晶圆和所述第四晶圆进行真空吸附固定；
所述键合腔室内设有夹持装置，所述夹持装置用于对所述第一晶圆和所述第二晶圆进行边缘夹持固定；
所述键合腔室内设有插刀，在解键合过程中，所述插刀用于插入所述第一晶圆和第三晶圆、所述第二晶圆和第四晶圆的键合面，以产生开裂区域。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明的晶圆键合方法，通过先将第一晶圆与第三晶圆键合、第二晶圆与第四晶圆键合，使得第一晶圆和第二晶圆的翘曲度降低；再进行第一晶圆和第二晶圆的键合，使得两者的键合均一性大幅度提高。
(2)本发明的晶圆键合方法，在第一晶圆与第三晶圆键合、第二晶圆与第四晶圆键合后，对第一晶圆和第二晶圆进行化学抛光，得到键合区，使得该键合区不受破坏，从而保证了第一晶圆和第二晶圆的键合。
(3)本发明的晶圆键合方法，采用插刀对第一晶圆和第三晶圆、第二晶圆和第四晶圆进行解键合，使得解键合的过程不影响第一晶圆和第二晶圆之间的键合。
附图说明
图1为本发明的晶圆键合方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见附图1，本发明实施例提供一种晶圆键合方法，包括如下步骤：
提供第一晶圆、第二晶圆、第三晶圆和第四晶圆，第一晶圆和所述第二晶圆包括正面和背面；
S1、将第一晶圆的背面与第三晶圆键合，将第二晶圆的背面与第四晶圆键合；使得键合后的第一晶圆和第二晶圆的翘曲程度降低。
S2、将第一晶圆的正面与所述第二晶圆的正面进行化学抛光，得到正面键合区；使得该键合区不受步骤S1键合过程的影响，从而保证了第一晶圆和第二晶圆的键合。
S3、将第一晶圆的正面与所述第二晶圆的正面进行键合；由于步骤S1中第一晶圆和所述第二晶圆的翘曲程度已经降低，在两者的正面进行键合时，能够使得键合的对准精度提高。
S4、将第一晶圆与所述第三晶圆解键合，将所述第二晶圆与所述第四晶圆解键合。
因此，通过上述步骤，第一晶圆和第二晶圆键合后的均一性得到提高。
第三晶圆的翘曲度低于第一晶圆的翘曲度，第四晶圆的翘曲度低于第二晶圆的翘曲度；使得第一晶圆和第二晶圆与其键合后，翘曲度能够有效降低。
优选的，第三晶圆和第四晶圆为硅晶圆或氧化膜晶圆。
采用本发明实施例所提供的晶圆键合方法，先分别将第一晶圆和第二晶圆与氧化膜晶圆(分别为第三晶圆和第四晶圆)键合。由于氧化膜晶圆的翘曲度低于第一晶圆和第二晶圆，使得键合后第一晶圆和第二晶圆的翘曲度降低。再将第一晶圆和第二晶圆进行键合。此时，由于两者的翘曲度已经降低，因此键合过程的对准精度得到有效提高。第一晶圆与第二晶圆键合后，再将第一晶圆与第三晶圆、第二晶圆与第四晶圆通过物理方式解键合，使得第一晶圆和第二晶圆的键合不受影响，从而得到高均一性的晶圆对。
本发明实施例晶圆键合方法除了上述步骤外，还包括其他步骤，结合上述步骤，具体如下所述：
S1、将第一晶圆的背面与第三晶圆键合，将第二晶圆的背面与第四晶圆键合，其中，第三晶圆和第四晶圆均为氧化膜晶圆。
实施键合前，对晶圆进行键合前处理，包括如下步骤：
通过对键合腔室内进行抽气和放气过程，对晶圆表面进行活化处理；系统抽气至1×10-4Pa之后打开氮气进气系统进行放气，使气压回升至60Pa。循环两次抽气和放气过程，保证键合腔室内的气体环境。
在键合腔室内进行放电过程；将键合腔室内的氮气压力维持在1-10×10-2Pa之间，开始进行放电，其中，放电的反射功率为10-50W。
通过清洗工艺对晶圆进行亲水处理。具体的，使用去离子水在两个晶圆表面进行清洗。亲水处理采用去离子水，流量为0.5-2L/min。清洗后，对晶圆进行氮气吹干。
开始进行晶圆键合，将一片晶圆装载至上卡盘，另一片装载至下卡盘，通过视觉系统及对位系统将两片晶圆的待键合区对准，对准后将两片晶圆进行贴合，具体步骤包括：
固定第三晶圆，将第一晶圆中心点从正面顶起后，将第一晶圆背面中心点与第三晶圆中心点相互接触，之后缓慢释放第一晶圆，使第一晶圆背面沿自中心至边缘的方向与第三晶圆键合。
固定第四晶圆，将第二晶圆中心点从正面顶起后，将第二晶圆背面中心点与第四晶圆中心点相互接触，之后缓慢释放第二晶圆，使第二晶圆背面沿自中心至边缘的方向与第四晶圆键合。
S2、对第一晶圆和所述第二晶圆的正面进行化学抛光，化学抛光的磨料浓度为0-3vol％，压力为1-4KP，转速为30-60rpm，氧化剂浓度为1-5vol％，螯合剂浓度为1-5vol％。
经过化学抛光后，第一晶圆和第二晶圆的正面形成待键合区。
S3、将第一晶圆的正面与第二晶圆的正面进行键合。
S4、将第一晶圆与第三晶圆解键合，将第二晶圆与第四晶圆解键合。
具体的，本发明实施例中的解键合步骤包括：
采用吸盘对第三晶圆和第四晶圆进行真空吸附固定，对第一晶圆和第二晶圆进行边缘夹持固定；
采用插刀插入第一晶圆和第三晶圆、第二晶圆和第四晶圆的键合面，产生开裂区域；
通过吸盘和所述插刀的作用使得开裂区域增大，直至第三晶圆与第一晶圆分离、第二晶圆与第四晶圆分离。
经过解键合后，第一晶圆和第二晶圆形成晶圆对。此晶圆对由于键合过程的均一性大幅度提高，从而具有高键合质量。
本发明实施例还提供一种晶圆键合装置，该晶圆键合装置包括键合腔室、抛光装置以及清洗装置，第一晶圆、第二晶圆、第三晶圆以及第四晶圆位于键合腔室内进行键合、抛光以及清洗。
该键合腔室能够容纳至少四个晶圆；键合腔室内设有吸盘，所述吸盘用于对所述第三晶圆和所述第四晶圆进行真空吸附固定。
该键合腔室内设有夹持装置，该夹持装置用于对第一晶圆和第二晶圆进行边缘夹持固定。
该键合腔室内设有插刀，在解键合过程中，插刀用于插入第一晶圆和第三晶圆、第二晶圆和第四晶圆的键合面，以产生开裂区域。
本说明书中对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (11)
1.一种晶圆键合方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供第一晶圆、第二晶圆、第三晶圆以及第四晶圆，所述第一晶圆和所述第二晶圆包括正面和背面；
将所述第一晶圆的背面与第三晶圆键合，将所述第二晶圆的背面与第四晶圆键合；
对所述第一晶圆和所述第二晶圆的正面进行化学抛光，得到正面键合区；
将所述第一晶圆的正面与所述第二晶圆的正面进行键合；
将所述第一晶圆与所述第三晶圆解键合，将所述第二晶圆与所述第四晶圆解键合。
2.根据权利要求1所述的一种晶圆键合方法，其特征在于，所述第三晶圆的翘曲度低于所述第一晶圆的翘曲度，所述第四晶圆的翘曲度低于所述第二晶圆的翘曲度。
3.根据权利要求1所述的一种晶圆键合方法，其特征在于，所述第三晶圆和第四晶圆为硅晶圆或氧化膜晶圆。
4.根据权利要求1所述的一种晶圆键合方法，其特征在于，所述键合实施前，对晶圆进行键合前处理，所述键合前处理包括以下步骤：
通过对键合腔室内进行抽气和放气过程，对晶圆表面进行活化处理；
在所述键合腔室内进行放电过程；
通过清洗工艺对晶圆进行亲水处理。
5.根据权利要求4所述的一种晶圆键和方法，其特征在于，所述抽气和放气过程为，将所述键合腔室抽气至1×10-4Pa之后，打开氮气进气系统进行放气，使气压回升；循环两次抽气和放气过程。
6.根据权利要求4所述的一种晶圆键和方法，其特征在于，当所述键合腔室内的氮气压力为1-10×10-2Pa时，开始进行放电过程。
7.根据权利要求1所述的一种晶圆键合方法，其特征在于，所述将所述第一晶圆的背面与第三晶圆键合，将所述第二晶圆的背面与第四晶圆键合的步骤包括：
固定所述第三晶圆和所述第四晶圆，将所述第一晶圆和所述第二晶圆的中心点分别从正面顶起，释放所述第一晶圆和所述第二晶圆，使所述第一晶圆与所述第三晶圆键合、所述第二晶圆与所述第四晶圆键合。
8.根据权利要求1所述的一种晶圆键合方法，其特征在于，所述化学抛光的磨料浓度为0-3vol％，压力为1-4KP，转速为30-60rpm，氧化剂浓度1-5vol％，螯合剂浓度1-5vol％。
9.根据权利要求1所述的一种晶圆键合方法，其特征在于，所述解键合步骤包括：
采用吸盘对所述第三晶圆和所述第四晶圆进行真空吸附固定，采用夹持装置对所述第一晶圆和所述第二晶圆进行边缘夹持固定；
采用插刀插入所述第一晶圆和第三晶圆、所述第二晶圆和第四晶圆的键合面，产生开裂区域；
通过所述吸盘和所述插刀的作用使得所述开裂区域增大，直至所述第三晶圆与所述第一晶圆分离、所述第二晶圆与所述第四晶圆分离。
10.一种晶圆键合装置，其特征在于，包括键合腔室、抛光装置以及清洗装置，第一晶圆、第二晶圆、第三晶圆以及第四晶圆位于键合腔室内进行键合、抛光以及清洗。
11.根据权利要求10所述的晶圆键合装置，其特征在于，所述键合腔室能够容纳至少四个晶圆；
所述键合腔室内设有吸盘，所述吸盘用于对所述第三晶圆和所述第四晶圆进行真空吸附固定；
所述键合腔室内设有夹持装置，所述夹持装置用于对所述第一晶圆和所述第二晶圆进行边缘夹持固定；
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 100176 floor 2, building 2, yard 19, Kechuang 10th Street, Beijing Economic and Technological Development Zone, Daxing District, Beijing (Yizhuang group, high-end industrial area of Beijing Pilot Free Trade Zone) Applicant after: BEIJING U-PRECISION TECH Co.,Ltd. Address before: 100176 4th floor, building 10, No.156 courtyard, Jinghai Road, economic and Technological Development Zone, Daxing District, Beijing Applicant before: BEIJING U-PRECISION TECH Co.,Ltd. |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20201110 |