CN112038220A - 晶圆键合工艺中改善晶圆边缘形变的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种晶圆键合工艺中改善晶圆边缘形变的方法通过采取调整键合步骤中的顶端的顶针力、真空吸盘的真空吸力以及两片晶圆的距离等方式，使得中心形成的键合波以同心圆的方式逐渐向两边扩散，消除或者减少现有技术导致的不是以同心圆的方式扩散就会造成晶圆边缘形变较大、产品质量差或者废品率高的问题，大大提高提高键合工艺质量。
Description
技术领域
本发明涉及半导体芯片技术领域，特别是涉及半导体晶圆键合工艺，具体涉及一种晶圆键合工艺中改善晶圆边缘形变的方法。
背景技术
随着半导体集成电路的集成度越来越高，芯片中晶体管的集成度逐渐达到上限，因此出现了3D集成电路(integrated circuit，IC)技术，3D集成电路(integratedcircuit，IC)被定义为一种系统级集成结构，3D集成电路通过键合工艺实现多个芯片之间的垂直互连，增加了芯片的空间，提高了晶体管的集成度，同时还能提高集成电路的工作速度，降低集成电路的功耗。
目前，键合工艺的总体流程为分别是清洗、等离子体活化或称电浆活化、键合、全自动虚拟量测；其中清洗主要是清洗晶圆表面和背面的颗粒，以防后续键合时由于表面存在颗粒而产生气泡，而在晶圆表面形成的水膜，便于形成范德华力将两片单独的晶圆吸附在一起；等离子体活化或称电浆活化的作用是激活晶圆表面性形成较为强健的范德华力，便于下一步两片晶圆能够较为容易的键合在一起；晶圆键合主要是将两片晶圆键合在一起，运用顶端的顶针将上层的晶圆的中心与下层的晶圆先接触形成键合波，中心形成的键合波逐渐向两边扩散，两片晶圆由于键合波的作用键合在一起；全自动虚拟量测是测量键合后两片晶圆的偏差，通过这四个模块的相互作用，将两片晶圆紧密的键合在一起。
但是在上述晶圆键合过程中，现有工艺往往会产生晶圆形变，特别是在晶圆片的边缘部分，这种变形导致晶圆过程的失败或者出现废品，原因在于两片晶圆键合中心形成的键合波不是同心圆的方式扩散。
本发明基于发现一个现象是影响键合波的主要因素就是在键合过程两片晶圆所受的力的大小和晶圆产生的形变的大小，本发明的一种晶圆键合工艺中改善晶圆边缘形变的方法通过采取调整键合步骤中的顶端的顶针力、真空吸盘的真空吸力以及两片晶圆的距离等方式，使得中心形成的键合波以同心圆的方式逐渐向两边扩散，消除或者减少现有技术导致的不是以同心圆的方式扩散就会造成晶圆边缘形变较大、产品质量差或者废品率高的问题，大大提高提高键合工艺质量和效率。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，如何彻底消除现有技术晶圆键合工艺中两片晶圆键合中心形成的键合波不是同心圆的方式扩散导致的晶圆形变，特别是在晶圆片的边缘部分造成的较大形变，致使晶圆过程的失败或者出现废品的问题。
为了解决以上技术问题，本发明提供一种晶圆键合工艺中改善晶圆边缘形变的方法，通过采取调整键合步骤中的顶端的顶针力、真空吸盘的真空吸力以及两片晶圆的距离等方式，使得中心形成的键合波以同心圆的方式逐渐向两边扩散，消除或者减少现有技术导致的不是以同心圆的方式扩散就会造成晶圆边缘形变较大、产品质量差或者废品率高的问题，实现提高键合工艺质量和效率的目的。
为了达到上述目的，本发明提供一种晶圆键合工艺中改善晶圆边缘形变的方法，包括以下步骤：
步骤一、清洗，清洗晶圆(02、03)表面和背面的颗粒，在晶圆表面形成的水膜；
步骤二、等离子体活化，激活晶圆表面活性形成较为强健的范德华力；
步骤三、晶圆键合，将需要键合的上层晶圆分别吸附到真空吸盘上，通过真空吸盘顶端的顶针将上层的晶圆的中心与下层的晶圆先接触形成键合波，通过调整键合过程两片晶圆所受的顶针和/或真空吸盘力的大小因素使得所述的键合波以同心圆的方式扩散。
进一步地，步骤三的晶圆键合具体步骤为：工作流程一，将顶部晶圆吸到顶部真空吸盘上；工作流程二，将底部晶圆吸到底部真空吸盘上；工作流程三，将上下两片晶圆进行对准；工作流程四，向上移动底部真空吸盘的位置达到设定距离；工作流程五，释放顶部真空吸盘上的顶针；工作流程六，顶针用力将两片晶圆键合到一起；工作流程七，释放顶部真空吸盘；工作流程八，释放底部真空吸盘；工作流程九，移走顶部真空吸盘上的顶针；工作流程十，移动顶部真空吸盘上，将键合完成的晶圆传送出去。
进一步地，通过调整键合过程两片晶圆所受的真空吸盘力的大小是通过增加底部吸盘的对下部晶圆的真空吸力的方式和/或减小顶部吸盘的对上部晶圆的真空吸力。
进一步地，通过增加底部吸盘的对下部晶圆的真空吸力的方式采取底部内圈的真空吸力往较小的方向调整、底部外圈的真空吸力往较大的方向调整。
进一步地，顶部吸盘的对上部晶圆的真空吸力为-400mbar。
进一步地，底部内圈的真空吸力为-400mbar，底部内圈的真空吸力为-900mbar。
进一步地，通过调整键合过程两片晶圆所受的顶针力的大小是通过减小顶端顶针的压力的方式；
进一步地，晶圆所受的顶针力的大小调整到1700mN。
进一步地，通过晶圆产生的形变的大小是通过减小两片晶圆的距离的方式；
进一步地，减小两片晶圆的距离是调整上下两片晶圆的距离到30um。
通过本发明的方法，通过采取调整键合步骤中的顶端的顶针力、真空吸盘的真空吸力以及两片晶圆的距离等方式，使得中心形成的键合波以同心圆的方式逐渐向两边扩散，消除或者减少现有技术导致的不是以同心圆的方式扩散就会造成晶圆边缘形变较大、产品质量差或者废品率高的问题，实现提高键合工艺质量和效率的目的。
附图说明
图1为本发明的晶圆键合工艺中改善晶圆边缘形变的方法逻辑步骤框图。
图2为本发明的晶圆键合工艺中改善晶圆边缘形变的方法的效果测试比较分析图。
图3为本发明的为晶圆键合工艺中晶圆边缘形变效果对比示意图。
附图标记说明
01 顶针 02 上层的晶圆
03 下层的晶圆 04 顶部真空吸盘
05 底部真空吸盘
具体实施方式
下面结合附图对本发明做详细说明。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。
参阅图1所示，为本发明的一种晶圆键合工艺中改善晶圆边缘形变的方法逻辑步骤框图，包括的步骤如下：
步骤一、清洗，清洗晶圆02、03表面和背面的颗粒，在晶圆表面形成的水膜；
步骤二、等离子体活化，激活晶圆表面活性形成较为强健的范德华力；
步骤三、晶圆键合，将需要键合的上层晶圆分别吸附到真空吸盘上，通过真空吸盘顶端的顶针将上层的晶圆的中心与下层的晶圆先接触形成键合波，通过调整键合过程两片晶圆所受的顶针和/或真空吸盘力的大小因素使得所述的键合波以同心圆的方式扩散。
由于采取了本发明中的调整使得中心形成的键合波以同心圆的方式逐渐向两边扩散的方法，该方法主要是在步骤三“晶圆键合”中，现有技术的这一步骤中没有考虑如何使得键合波以同心圆的方式逐渐向两边扩散的工艺关键点，致使晶圆边缘形变比较大。
步骤三的晶圆键合具体步骤为：1)将顶部晶圆吸到顶部真空吸盘04上；2)将底部晶圆吸到底部真空吸盘05上；3)将上下两片晶圆进行对准；4)向上移动底部真空吸盘的位置达到设定距离；5)释放顶部真空吸盘上的顶针01；6)顶针(01)用力将两片晶圆键合到一起；7)释放顶部真空吸盘(04)；8)释放底部真空吸盘05；9)移走顶部真空吸盘上的顶针01；10)移动顶部真空吸盘，将键合完成的晶圆传送出去。
在上述步骤中，涉及对晶圆片产生一定影响的要素是顶部真空吸盘04、底部真空吸盘05、顶针01以及向上移动底部真空吸盘的位置达到设定距离，为了达到使得键合波以同心圆的方式逐渐向两边扩散的目的，必须对上述对晶圆片产生一定影响的要素是影响的进行数据分析是实验。进一步发现通过调整键合过程两片晶圆所受的顶针、真空吸盘力的大小因素会使得所述的键合波是否以同心圆的方式扩散。
进一步发现，通过增加底部吸盘的对下部晶圆的真空吸力的方式和/或减小顶部吸盘的对上部晶圆的真空吸力的方式可以较好控制键合波是否以同心圆的方式扩散，达到改善晶圆边缘形变的效果；而且采取底部内圈的真空吸力往较小的方向调整、底部外圈的真空吸力往较大的方向调整可以更优地达到改善晶圆边缘形变的效果。经过长期实验积累，发现顶部吸盘的对上部晶圆的真空吸力为-400mbar为最佳，底部内圈的真空吸力为-400mbar，底部内圈的真空吸力为-900mbar可以使得晶圆边缘形变的效果达到最好的改善。
进一步发现，通过减小顶端顶针的压力的方式可以较好控制键合波是否以同心圆的方式扩散，达到改善晶圆边缘形变的效果，顶针力的大小调整到1700mN为最佳。
另外，通过减小两片晶圆的距离的方式也可以增进改善晶圆边缘形变的效果，调整上下两片晶圆的距离到30um为最佳。
以下结合图2、图3说明本发明实验效果。
图2为本发明的晶圆键合工艺中改善晶圆边缘形变的方法的效果测试比较分析图、图3为晶圆键合工艺中晶圆边缘形变展示示意图。其中，纵坐标X和Y表征在不同方向上晶圆键合前后形变的大小，由于晶圆之间的键合是通过中心的顶针力的作用，从中心产生键合波逐渐扩散到晶圆外圈，在键合波的作用下两片晶圆键和到一起，由于晶圆本身翘曲和晶圆表面图形的影响，从而导致键合波并不是以同心圆的形状扩散的，因此X和Y方向的值会有差别。
横坐标为设定的不同条件，例如，BL为现有技术未做任何条件设定时的形变量，T03为减小顶针力的作用，T02为进一步减小顶针力的作用，T04为进一步减小顶部吸盘的真空吸力并增大底部吸盘的真空吸力，T05为减小顶部吸盘的真空吸力并增大底部吸盘的真空吸力，T06为减小晶圆之间的距离，T07为减小底部吸盘内圈的释放时间，T10为增加底部吸盘内圈的释放时间，由于底部吸盘内圈的对晶圆释放的时间不同，会对晶圆间键合波的形状有影响，因此会造成形变不同，T08、T10、T11、T12为同时增大顶部和底部吸盘的真空吸力。
参阅图2所示，通过T02、T03与BL对比说明通过减小顶端顶针的压力可以减小晶圆形变；T04、T08、T10、T11、T12与BL对比明显能看出通过增加底部吸盘的真空吸力，减小顶部吸盘的真空吸力，可以使上下两片晶圆有较小的形变；T07、T10与BL对比，说明减小底部真空吸盘内圈的释放时间，可以改善在键合过程底部(或称下片)晶圆的形变；T6与BL对比说明减小上下晶圆片间的距离,可以减小晶圆形变。
进一步参阅图3所示，由于晶圆在键合工艺中受到来自吸盘、顶针的力量而发生的形变会造成的晶圆边缘的形变，对后续修补造成较大的困难；通过上述实验优化在键合过程中通过本发明所述的控制吸盘、顶针的力量以及上下晶圆的间距使得晶圆形变减小甚至消除，测量键合后的形变图(图3右图)，与之前的没有本发明控制技术的形变图(图3左图)对比发现，本发明的晶圆边缘形变大大减小。
结合上述具体实施例，进一步说明本发明提供的晶圆键合工艺中改善晶圆边缘形变的方法所达到的技术效果：通过采取调整键合步骤中的顶端的顶针力、真空吸盘的真空吸力以及两片晶圆的距离等方式，使得中心形成的键合波以同心圆的方式逐渐向两边扩散，消除或者减少现有技术导致的不是以同心圆的方式扩散就会造成晶圆边缘形变较大、产品质量差或者废品率高的问题，实现提高键合工艺质量和效率的目的。
以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限定本发明。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种晶圆键合工艺中改善晶圆边缘形变的方法，包括以下步骤：
步骤一、清洗，清洗晶圆(02、03)表面和背面的颗粒，在晶圆表面形成的水膜；
步骤二、等离子体活化，激活晶圆表面活性形成较为强健的范德华力；
步骤三、晶圆键合，将需要键合的上层晶圆分别吸附到真空吸盘上，通过真空吸盘顶端的顶针(01)将上层的晶圆(02)的中心与下层的晶圆(03)先接触形成键合波，通过调整键合过程两片晶圆所受的顶针和/或真空吸盘力的大小因素使得所述的键合波以同心圆的方式扩散；
步骤四、全自动虚拟量测，测量键合后两片晶圆的偏差。
2.根据权利1所述的晶圆键合工艺中改善晶圆边缘形变的方法，其特征在于，所述步骤三的晶圆键合具体工作流程为：
工作流程一，将顶部晶圆吸到顶部真空吸盘(04)上；
工作流程二，将底部晶圆吸到底部真空吸盘(05)上；
工作流程三，将上下两片晶圆进行对准；
工作流程四，向上移动底部真空吸盘的位置达到设定距离；
工作流程五，释放顶部真空吸盘上的顶针(01)；
工作流程六，顶针(01)用力将两片晶圆键合到一起；
工作流程七，释放顶部真空吸盘(04)；
工作流程八，释放底部真空吸盘(05)；
工作流程九，移走顶部真空吸盘上的顶针(01)；
工作流程十，移动顶部真空吸盘，将键合完成的晶圆传送出去。
3.根据权利要求1所述的晶圆键合工艺中改善晶圆边缘形变的方法，其特征在于，所述通过调整键合过程两片晶圆所受的真空吸盘力的大小是通过增加底部吸盘的对下部晶圆的真空吸力的方式和/或减小顶部吸盘的对上部晶圆的真空吸力。
4.根据权利要求3所述晶圆键合工艺中改善晶圆边缘形变的方法，其特征在于，所述通过增加底部吸盘的对下部晶圆的真空吸力的方式采取底部内圈的真空吸力往较小的方向调整、底部外圈的真空吸力往较大的方向调整。
5.根据权利要求3或4所述的晶圆键合工艺中改善晶圆边缘形变的方法，其特征在于，所述顶部吸盘的对上部晶圆的真空吸力为-400mbar。
6.根据权利要求3所述的晶圆键合工艺中改善晶圆边缘形变的方法，其特征在于，所述底部内圈的真空吸力为-400mbar，底部内圈的真空吸力为-900mbar。
7.根据权利要求1所述的晶圆键合工艺中改善晶圆边缘形变的方法，其特征在于，所述通过调整键合过程两片晶圆所受的顶针力的大小是通过减小顶端顶针的压力的方式。
8.根据权利要求7所述的晶圆键合工艺中改善晶圆边缘形变的方法，其特征在于，所述晶圆所受的顶针力的大小调整到1700mN。
9.根据权利要求1所述的晶圆键合工艺中改善晶圆边缘形变的方法，其特征在于，所述通过晶圆产生的形变的大小是通过减小两片晶圆的距离的方式；
10.根据权利要求9所述的晶圆键合工艺中改善晶圆边缘形变的方法，其特征在于，所述减小两片晶圆的距离是调整上下两片晶圆的距离到30um。
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