CN115631991A - 一种复合晶圆的制备方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种复合晶圆的制备方法及装置，所述制备方法包括如下步骤：（1）对上晶圆、中间晶圆和下晶圆均进行表面活化处理，得到处理后的上晶圆、处理后的中间晶圆和处理后的下晶圆；所述中间晶圆的数量为至少1个；（2）依次叠合处理后的上晶圆、处理后的中间晶圆和处理后的下晶圆，进行加压键合处理，得到所述复合晶圆；所述装置设计合理，结构简单，可适用于不同的表面活化处理方法，操作调控简便，具有大规模工业化推广应用前景。

Description

一种复合晶圆的制备方法及装置
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其涉及一种复合晶圆的制备方法及装置。
背景技术
随着5G和人工智能芯片的不断发展，集成电路的特征尺寸不断减小，集成规模越来越大。此外，微机电系统（Micro Electromechanical Systems, MEMS）集成度越来越高，功能越来越多，结构更趋复杂。特别是CMOS电路与MEMS器件混合集成的功能器件，需要将微机械部件与电路集成起来，这对器件的封装集成提出了更高的要求。在这种条件下，单纯通过缩小工艺尺寸、增加单芯片面积等方式带来的系统功能和性能提升已难以适应未来发展的需求。因此，提出了三维集成技术，也称为晶圆级多层堆叠技术，采用这种方法，可以实现从芯片级到晶圆级的各种三维集成，如COC（Chip On Chip）、COW（Chip On Wafer）、WOW（Wafer On Wafer）等。三维集成技术充分利用了垂直方向上的空间，使器件向三维方向发展，能够明显减小互连线长度、面积，突破单层芯片、单传感器的限制，提高芯片集成度，实现系统性能、带宽和功耗等方面指标提升。
键合是实现三维集成的主流技术；衬底键合的一般过程为，使用两片相近尺寸的同质或异质晶圆，使其键合面对准并紧密接触，在一定的温度下，衬底间发生化学反应形成中间层，或在衬底界面附近发生原子扩散，将两衬底牢牢连接在一起。可利用键合强度来表征两衬底键合的牢固程度。但是，当不同的材料在高温处理后键合到一起时，由于不同的材料的热膨胀系数不同，键合晶圆在冷却过程中，会释放热应力，键合晶圆会受到机械性的损伤，影响器件的可靠性和耐久性，严重时会导致裂片。同时，高温处理无法应用于耐热性、耐电压特性较低的原件。
CN111477543A公开了一种键合衬底晶圆与单晶压电晶圆的方法以及由该方法制备的复合单晶压电晶圆基板，所述方法在键合前对单晶压电晶圆的键合面进行损伤，形成与衬底晶圆键合面晶格排布相近的损伤层，从而减小键合界面应力集中，提高复合单晶压电晶圆基板的结构稳定性。还提供一种制备复合单晶压电薄膜的方法，所述方法通过在注入片的薄膜层表面进行损伤形成损伤层，再基于所述损伤层与衬底晶圆进行键合，最后除去注入片中的余料层，从而提高复合单晶压电薄膜基板的结构稳定性。
CN114664724A公开了一种晶圆键合方法以及半导体器件的制备方法或封装方法，晶圆键合方法包括以下步骤：步骤S10：在待键合晶圆具有刻印图形层的一侧表面之上形成隔离层；步骤S20：在隔离层之上形成二氧化硅层，打磨二氧化硅层，使二氧化硅层与隔离层形成的复合层的表面平整；步骤S30：在复合层上述依次形成键合胶层和键合载片。上述的键合方法通过依次形成隔离层和二氧化硅层，二氧化硅材料先形成在隔离层之上并磨平至与隔离层的最高表面齐平，可以有效地从键合过程中通过产生键合气泡的根本原因台阶差来解决上述问题，还可以进一步地避免晶圆键合过程中键合失效的问题。利用上述晶圆键合的方法还可以有效提高半导体器件制备和封装的良品率。
CN114141630A公开了一种二次离子注入薄膜晶圆方法、复合薄膜及电子元器件，所述方法包括：准备薄膜晶圆与非同质衬底晶圆；对所述薄膜晶圆执行两次离子注入处理，其中第一次离子注入的深度与第二次离子注入的深度差值为20nm~200nm，得到包含余质层、第一注入层、第二注入层和薄膜层四层结构的薄膜晶圆注入片；对所述薄膜晶圆注入片与所述非同质衬底晶圆执行键合，得到键合体；对所述键合体执行热处理，得到分离气泡层；在所述分离气泡层处剥离掉所述余质层，使得所述余质层与所述薄膜层分离，得到复合薄膜。通过二次离子注入，使薄膜晶圆和衬底晶圆不会产生较大热膨胀系数的差异，也就不会导致薄膜层炸裂，进而提高了薄膜晶圆的成品良率。
但上述方法仅为两片晶圆键合，尚无法满足两片以上晶圆的同步键合。
因此，提供一种复合晶圆的制备方法及装置实现两片以上晶圆同时键合，对未来高性能电子器件封装集成技术的发展具有十分重要的意义。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供一种复合晶圆的制备方法及装置，所述制备方法将经过表面活化处理后的上晶圆、中间晶圆和下晶圆依次叠合，进行加压键合处理，形成一种三明治结构，实现晶圆集成度的提高；所述制备装置内设置有机械手，可以夹持中间晶圆，防止晶圆表面产生玷污，整体制备装置设计合理，结构简单，便于操作调控，具有大规模工业化推广应用前景。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种复合晶圆的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
（1）对上晶圆、中间晶圆和下晶圆均进行表面活化处理，得到处理后的上晶圆、处理后的中间晶圆和处理后的下晶圆；所述中间晶圆的数量为至少1个；
（2）依次叠合处理后的上晶圆、处理后的中间晶圆和处理后的下晶圆，进行加压键合处理，得到所述复合晶圆。
本发明所述的复合晶圆的制备方法操作简单，首先对上晶圆、多片中间晶圆和下晶圆进行表面活化处理，之后采用加压键合的方式同时键合多片晶圆，形成三明治结构，进而提高晶圆的集成度。
本发明中所述中间晶圆的数量为至少1个，例如可以是1个、2个、3个、4个或5个等。
优选地，对步骤（1）所述上晶圆的下表面进行表面活化处理。
优选地，对步骤（1）所述中间晶圆的上表面和下表面均进行表面活化处理。
优选地，对步骤（1）所述下晶圆的上表面进行表面活化处理。
优选地，所述中间晶圆的直径比上晶圆的直径大0.02~2mm，例如可以是0.02mm、0.1mm、0.3mm、0.5mm、1mm或2mm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述中间晶圆的直径比下晶圆的直径大0.02~2mm，例如可以是0.02mm、0.1mm、0.3mm、0.5mm、1mm或2mm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明优选所述中间晶圆的直径比上晶圆的直径大0.02~2mm且所述中间晶圆的直径比下晶圆的直径大0.02~2mm，避免在加压键合处理中，上晶圆和下晶圆超出中间晶圆的边缘，与夹持中间晶圆的机械手发生干涉，导致上晶圆和下晶圆损坏。
优选地，步骤（1）所述表面活化处理包括等离子体轰击处理、甲酸还原处理或低温生长纳米薄膜处理中的任意一种。
本发明中表面活化处理中的等离子体轰击处理和甲酸还原处理，均可以有效去除上晶圆、中间晶圆和下晶圆需要进行键合的表面上的表面氧化物和杂质；低温生长纳米薄膜处理可以在上晶圆、中间晶圆和下晶圆需要进行键合的表面上生长纳米薄膜，使其作为键合中间层，提高键合强度。
优选地，所述低温生长纳米薄膜处理的温度<350℃，例如可以是349℃、340℃、330℃、320℃、310℃或300℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述低温生长纳米薄膜处理包括化学气相沉积法低温生长纳米薄膜处理或原子层沉积法低温生长纳米薄膜处理。
优选地，步骤（2）所述加压键合处理的过程中，监测上晶圆或下晶圆所受到的键合压力。
优选地，当键合压力达到第一设定压力值0.5~100N，机械手释放中间晶圆，之后继续增大键合压力达到第二设定压力值100~100000N，保持0.5~240min。
本发明中所述加压键合处理的过程中处理后的中间晶圆由机械手夹持向下移动，直至中间晶圆的下表面和下晶圆的上表面相互接触；机械手保持夹持，上晶圆在加压装置的带动下向下移动，监测上晶圆或下晶圆所受到的键合压力。其中，机械手夹持处理后的中间晶圆的边缘，使得处理后的上晶圆、处理后的中间晶圆和处理后的下晶圆的圆心保持在同一竖直轴心上。机械手保持夹持的目的是，使得中间晶圆不会在下晶圆的表面上滑移。如果上晶圆的下表面和中间晶圆的上表面接触后，机械手立即释放中间晶圆，由于晶圆表面的粗糙度很低，中间晶圆会在下晶圆的表面上滑移。
当键合压力达到第一设定压力值0.5~100N，机械手释放中间晶圆。若键合压力小于第一设定压力值，机械手过早释放中间晶圆，此时中间晶圆和下晶圆尚未紧密贴合，仍然存在相互滑移的风险；若键合压力大于第一设定压力值，机械手过晚释放中间晶圆，此时中间晶圆受到较大的压力同时又被机械手限制而不能自由移动，可能存在被损坏的风险。
本发明中第一设定压力值0.5~100N，例如可以是0.5N、1N、5N、10N、30N、50N、70N、90N或100N等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；第二设定压力值100~100000N，例如可以是100N、500N、1000N、3000N、5000N、10000N、70000N、90000N或100000N等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用；键合压力达到第二设定压力值100~100000N，保持0.5~240min，例如可以是0.5min、1min、5min、10min、20min、100min、200min或240min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述制备方法包括如下步骤：
（1）对上晶圆的下表面、中间晶圆的上表面和下表面以及下晶圆的上表面均进行表面活化处理，得到处理后的上晶圆、处理后的中间晶圆和处理后的下晶圆；所述中间晶圆的数量为至少1个；
所述中间晶圆的直径比上晶圆的直径大0.02~2mm；所述中间晶圆的直径比下晶圆的直径大0.02~2mm；
所述表面活化处理包括等离子体轰击处理、甲酸还原处理或低温生长纳米薄膜处理中的任意一种；所述低温生长纳米薄膜处理的温度<350℃；所述低温生长纳米薄膜处理包括化学气相沉积法低温生长纳米薄膜处理或原子层沉积法低温生长纳米薄膜处理；
（2）依次叠合处理后的上晶圆、处理后的中间晶圆和处理后的下晶圆，进行加压键合处理，得到所述复合晶圆；
所述加压键合处理的过程中，监测上晶圆或下晶圆所受到的键合压力；当键合压力达到第一设定压力值0.5~100N，机械手释放中间晶圆，之后继续增大键合压力达到第二设定压力值100~100000N，保持0.5~240min。
第二方面，本发明还提供一种复合晶圆的制备装置，所述装置用于实现第一方面所述的复合晶圆的制备方法。
优选地，所述制备装置包括处理腔室；所述处理腔室与第一真空系统连接。
本发明所述的处理腔室内可以进行甲酸还原处理、化学气相沉积法低温生长纳米薄膜处理或原子层沉积法低温生长纳米薄膜处理。
优选地，所述处理腔室包括进气口和排气口；所述进气口的数量为至少2个，例如可以是2个、3个、4个或5个等。
本发明中当表面活化处理采用甲酸还原处理时，在处理腔室的进气口通入甲酸蒸汽；当表面活化处理采用化学气相沉积法低温生长纳米薄膜处理时，在处理腔室的进气口通入硅烷和氨气，在上晶圆的下表面、中间晶圆的上表面和下表面以及下晶圆的上表面形成均匀的SiN薄膜；当表面活化处理采用原子层沉积法低温生长纳米薄膜处理时，在处理腔室的进气口通入脉冲气体三甲基铝和脉冲气体水蒸气，在上晶圆的下表面、中间晶圆的上表面和下表面以及下晶圆的上表面形成均匀的Al2O3薄膜。
优选地，所述处理腔室包括位于处理腔室上部的第一上晶圆基座和位于处理腔室下部的第一下晶圆基座。
优选地，所述第一上晶圆基座内部集成有加压装置，所述加压装置在竖直方向上运动；所述加压装置的下端固定有第一上晶圆载台；所述第一上晶圆载台具有静电吸附功能。
本发明优选所述第一上晶圆载台具有静电吸附功能，以固定上晶圆。
优选地，所述第一下晶圆基座上固定有第一下晶圆载台。
优选地，所述处理腔室内设置有第一机械手；所述第一机械手通过旋转轴实现以轴线为中心360°翻转。
本发明所述第一机械手夹持中间晶圆的边缘，防止对中间晶圆的表面产生污染。在转轴的驱动下可以闭合或张开以夹取或放下中间晶圆。第一机械手通过旋转轴可以实现以轴线为中心360°翻转，可以保证在化学气相沉积法低温生长纳米薄膜处理或原子层沉积法低温生长纳米薄膜处理过程中成膜的均匀性。
优选地，所述第一上晶圆载台内部设置有第一加热装置。
优选地，所述第一下晶圆载台内部设置有第二加热装置。
优选地，所述第一加热装置包括加热丝、加热棒、加热盘或感应加热线圈中的任意一种。
优选地，所述第二加热装置包括加热丝、加热棒、加热盘或感应加热线圈中的任意一种。
本发明优选所述第一上晶圆载台内部设置有第一加热装置，所述第一下晶圆载台内部设置有第二加热装置，在加压键合处理的同时还可以对晶圆进行原位加热。当需要键合处理的晶圆需要加热时，可以进行原位加热；当不需要加热也可以完成键合时，也可以不启动加热装置，不进行加热，这样还可以节省能源。
优选地，所述制备装置包括等离子轰击腔室。
当采用离子体轰击处理对上晶圆、中间晶圆和下晶圆进行表面活化处理时，上晶圆、中间晶圆和下晶圆先进入等离子轰击腔室，之后再进入处理腔室进行热压键合处理。当采用甲酸还原处理或低温生长纳米薄膜处理对上晶圆、中间晶圆和下晶圆进行表面活化处理时，上晶圆、中间晶圆和下晶圆直接进入处理腔室进行表面活化处理，之后进行热压键合处理，这时制备装置仅为处理腔室即可。
本发明所述处理腔室和等离子轰击腔室可以是同一个腔体。
优选地，所述等离子轰击腔室与第二真空系统连接。
优选地，所述等离子轰击腔室包括位于等离子轰击腔室上部的第二上晶圆基座和位于等离子轰击腔室下部的第二下晶圆基座。
优选地，所述第二上晶圆基座的下端固定有第二上晶圆载台；所述第二上晶圆载台具有静电吸附功能。
优选地，所述第二下晶圆基座上固定有第二下晶圆载台。
优选地，所述等离子轰击腔室内设置有第二机械手。
本发明所述第二机械手夹持中间晶圆的边缘，防止对中间晶圆的表面产生污染。
优选地，所述等离子轰击腔室通过阀与处理腔室相连接。
本发明中经过离子轰击腔处理后的上晶圆、处理后的中间晶圆和处理后的下晶圆可以利用传送装置或机械手通过阀传送至处理腔室内，进行加压键合处理。
优选地，所述等离子轰击腔室内设置有至少2个等离子源，例如可以是2个、3个或4个等。
优选地，所述等离子源的设置方式包括固定设置、通过导轨移动或通过升降装置移动中的任意一种。
优选地，所述导轨的形状包括U形。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
（1）本发明提供的复合晶圆的制备方法操作简单，采用加压键合的方式同时键合多片晶圆，提高了晶圆的集成度，而且制备效率高，调控方便；
（2）本发明提供的复合晶圆的制备装置设计合理，结构简单，可适用于不同的表面活化处理方法，操作调控简便，具有大规模工业化推广应用前景。
附图说明
图1是实施例1提供的复合晶圆的制备装置的整体结构示意图。
图2是实施例1中间晶圆由机械手夹持的示意图。
图3是实施例1中第一等离子源241和第二等离子源242活化上晶圆010A的下表面和中间晶圆010B的上表面的示意图。
图4是实施例1中第一等离子源241和第二等离子源242活化中间晶圆010B的下表面和下晶圆010C的上表面的示意图。
图5是实施例2中等离子轰击腔室的结构示意图。
图6是实施例3中等离子轰击腔室的结构示意图。
图7是实施例4中第一等离子源241和第二等离子源242活化上晶圆010A的下表面和中间晶圆010B的上表面的示意图。
图8是实施例4中第一等离子源241和第二等离子源242活化中间晶圆010B的下表面和下晶圆010C的上表面的示意图。
图9是实施例6中处理腔室的结构示意图。
图中：100-处理腔室；104-阀；110-第一进气口；111-第二进气口；112-出气口；113-第一真空排气口；
120-第一真空系统；121-第一真空计；130-第一上晶圆基座；131-第一下晶圆基座；132-第一上晶圆载台；133-第一下晶圆载台；134-第一机械手；135-加压装置；136-第一感应加热线圈；137-第二感应加热线圈；
200-等离子轰击腔室；213-第二真空排气口；220-第二真空系统；221-第二真空计；230-第二上晶圆基座；231-第二下晶圆基座；232-第二上晶圆载台；233-第二下晶圆载台；234-第二机械手；240-U形导轨装置；241-第一等离子源；241A-第一等离子束；242-第二等离子源；242A-第二等离子束；243-第三等离子源；243A-第三等离子束；244-第四等离子源；244A-第四等离子束；245-移动轨迹。
010A-上晶圆；010B-中间晶圆；010C-下晶圆。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
需要理解的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本领域技术人员理应了解的是，本发明中必然包括用于实现工艺完整的必要管线、常规阀门和通用泵设备，但以上内容不属于本发明的主要发明点，本领域技术人员可以基于工艺流程和设备结构选型进可以自行增设布局，本发明对此不做特殊要求和具体限定。
实施例1
本实施例提供一种复合晶圆的制备装置，所述制备装置的所述制备装置的整体结构示意图如图1所示。
所述制备装置包括处理腔室100。
所述处理腔室100与第一真空系统120通过第一真空排气口113连接，同时接有第一真空计121可以读取当前处理腔室100的真空度。
所述处理腔室100包括位于处理腔室100上部的第一上晶圆基座130和位于处理腔室100下部的第一下晶圆基座131；所述第一上晶圆基座130内部集成有加压装置135，所述加压装置135在竖直方向上运动；所述加压装置135的下端固定有第一上晶圆载台132；所述第一上晶圆载台132具有静电吸附功能；所述第一下晶圆基座131上固定有第一下晶圆载台133。所述处理腔室100内设置有第一机械手134。所述第一上晶圆载台132内部设置有第一感应加热线圈136；所述第一下晶圆载台133内部设置有第二感应加热线圈137。
所述制备装置包括等离子轰击腔室200。
所述等离子轰击腔室200与第二真空系统220通过第二真空排气口213连接，同时接有第二真空计221可以读取当前等离子轰击腔室200的真空度。
所述等离子轰击腔室200包括位于等离子轰击腔室200上部的第二上晶圆基座230和位于等离子轰击腔室200下部的第二下晶圆基座231；所述第二上晶圆基座230的下端固定有第二上晶圆载台232；所述第二上晶圆载台232具有静电吸附功能；所述第二下晶圆基座231上固定有第二下晶圆载台233；
所述等离子轰击腔室200内设置有第二机械手234；所述等离子轰击腔室200通过阀104与处理腔室100相连接。
所述等离子轰击腔室200内设置有2个等离子源，分别为第一等离子源241和第二等离子源242。所述等离子源通过升降装置移动。
本实施例还提供一种复合晶圆的制备方法，所述制备方法使用上述的制备装置来实现；所述制备方法包括如下步骤：
（1）对上晶圆010A的下表面、中间晶圆010B的上表面和下表面以及下晶圆010C的上表面均进行等离子体轰击处理，得到处理后的上晶圆010A、处理后的中间晶圆010B和处理后的下晶圆010C；所述中间晶圆010B在表面活化处理过程中由第二机械手234夹持，示意图如图2所示；所述中间晶圆010B的数量为1个；所述中间晶圆010B的直径比上晶圆010A的直径大1mm；所述中间晶圆010B的直径比下晶圆010C的直径大1mm；
具体操作包括：
第一等离子源241和第二等离子源242位于图3所示的位置，分别放射出第一等离子束241A和第二等离子束242A用于活化上晶圆010A的下表面和中间晶圆010B的上表面。表面活化处理完成后，第一等离子源241和第二等离子源242通过升降装置移动在竖直方向上向下移动到图4所示的位置，分别放射出第一等离子束241A和第二等离子束242A用于活化中间晶圆010B的下表面和下晶圆010C的上表面。表面活化处理完成后，利用传送装置通过阀104传送至处理腔室100内；
（2）依次叠合处理后的上晶圆010A、处理后的中间晶圆010B和处理后的下晶圆010C，进行加压键合处理，得到所述复合晶圆；
具体操作包括：
上晶圆010A通过静电吸附固定在第一上晶圆载台132下方，下晶圆010C固定在第一下晶圆载台133的上方。中间晶圆010B通过第一机械手134夹持，固定在上晶圆010A和下晶圆010C之间，第一机械手134夹持中间晶圆010B的边缘，关闭阀104，启动第一真空系统120，使处理腔室100达到所需的真空度1E-3Pa。启动第一感应加热线圈136和第二感应加热线圈137，设定所需加热温度150℃，加热晶圆。升温结束后，控制第一机械手134将中间晶圆010B下移，置于下晶圆010C上方，控制加压装置135移动上晶圆010A，与中间晶圆010B的上表面接触，但不产生额外的压力。设定第一感应加热线圈136和第二感应加热线圈137的温度为键合所需温度250℃，达到所需的键合温度后，控制加压装置135继续向下移动，将上晶圆010A、中间晶圆010B、下晶圆010C紧密贴合，当键合压力达到第一设定压力值50N，第一机械手134释放中间晶圆010B，之后继续增大键合压力达到第二设定压力值1000N，保持30min，完成键合，得到复合晶圆。
键合完成后，关闭第一感应加热线圈136和第二感应加热线圈137，控制加压装置135向上移动，复合晶圆通过静电吸附作用吸附在第一上晶圆载台132下方，通过第一机械手134将复合晶圆取出。
实施例2
本实施例提供一种复合晶圆的制备装置，所述制备装置除了等离子轰击腔室200内固定设置有4个等离子源，分别为第一等离子源241、第二等离子源242、第三等离子源243和第四等离子源244外，其余均与实施例1相同。
本实施例所述等离子轰击腔室的结构示意图如图5所示。所述第一等离子源241、第二等离子源242、第三等离子源243和第四等离子源244分别放射出第一等离子束241A、第二等离子束242A、第三等离子束243A、第四等离子束244A，可以对上晶圆010A的下表面、中间晶圆010B的上表面、中间晶圆010B的下表面和下晶圆010C的上表面同时进行活化，提高活化效率。
本实施例提供一种复合晶圆的制备方法，所述制备方法使用上述的制备装置来实现；所述制备方法的步骤（1）中第一等离子源241和第二等离子源242，分别放射出第一等离子束241A和第二等离子束242A用于活化上晶圆010A的下表面和中间晶圆010B的上表面；第三等离子源243和第四等离子源244，分别放射出第三等离子束243A和第四等离子束244A用于活化中间晶圆010B的下表面和下晶圆010C的上表面，其余均与实施例1相同。
实施例3
本实施例提供一种复合晶圆的制备装置，所述制备装置除了等离子轰击腔室200内设置有2个等离子源，分别为第一等离子源241和第二等离子源242，所述等离子源通过U形导轨装置240移动外，其余均与实施例1相同。
本实施例所述等离子轰击腔室的结构示意图如图6所示。所述等离子轰击腔室200内固定有U形导轨装置240，其形状呈U行，位于上晶圆010A、中间晶圆010B、下晶圆010C的间隙。第一等离子源241和第二等离子源242的方向相反，发出相反方向的第一等离子束241A和第二等离子束242A。第一等离子源241和第二等离子源242工作时，沿移动轨迹245所示的轨迹和方向移动。第一等离子源241和第二等离子源242在U形导轨装置240上侧移动时，第一等离子源241方向向上，发出向上的等离子束，活化上晶圆010A的下表面，第二等离子源242方向向下，发出向下的等离子束，活化中间晶圆010B的上表面。当等离子源移动到U形导轨装置240的下侧时，第一等离子源241方向向下，发出向下的等离子束，活化下晶圆010C的上表面，第二等离子源242方向向上，发出向上的等离子束，活化中间晶圆010B的下表面。
本实施例提供一种复合晶圆的制备方法，所述制备方法使用上述的制备装置来实现；所述制备方法的步骤（1）中第一等离子源241和第二等离子源242在U形导轨装置240上侧，第一等离子源241发出向上的等离子束，活化上晶圆010A的下表面，第二等离子源242发出向下的等离子束，活化中间晶圆010B的上表面；之后，第一等离子源241和第二等离子源242移动到U形导轨装置240的下侧，第一等离子源241发出向下的等离子束，活化下晶圆010C的上表面，第二等离子源242发出向上的等离子束，活化中间晶圆010B的下表面，其余均与实施例1相同。
实施例4
本实施例提供一种复合晶圆的制备装置，所述制备装置除了等离子轰击腔室200内固定设置有2个等离子源，分别为第一等离子源241和第二等离子源242外，其余均与实施例1相同。
本实施例中上晶圆010A通过静电吸附固定在第二上晶圆载台232下方，中间晶圆010B置于第二下晶圆载台233上方。首先，第一等离子源241发射第一等离子束241A用于活化上晶圆010A的下表面，第二等离子源242发射第二等离子束242A用于活化中间晶圆010B的上表面，示意图如图7所示。表面活化处理完成后，上晶圆010A、中间晶圆010B由传送装置通过阀104传送至处理腔室100内，在处理腔室100内完成键合，再由传送装置通过阀104传送至等离子轰击腔室200内，并通过静电吸附固定在第二上晶圆载台232下方，然后将下晶圆010C通过传送装置置于第二下晶圆载台233上方，继续活化。第一等离子源241发射第一等离子束241A用于活化中间晶圆010B的下表面，第二等离子源242发射第二等离子束242A用于活化下晶圆010C的上表面，示意图如图8所示。
本实施例提供一种复合晶圆的制备方法，所述制备方法使用上述的制备装置来实现；所述制备方法包括如下步骤：
（1’）中间晶圆010B的数量为1个；所述中间晶圆010B的直径比上晶圆010A的直径大1mm；所述中间晶圆010B的直径比下晶圆010C的直径大1mm；第一等离子源241发射第一等离子束241A，活化上晶圆010A的下表面，第二等离子源242发射第二等离子束242A用于活化中间晶圆010B的上表面；表面活化处理完成后，上晶圆010A、中间晶圆010B由传送装置通过阀104传送至处理腔室100内；
（2’）上晶圆010A通过静电吸附固定在第一上晶圆载台132下方，中间晶圆010B固定在第一下晶圆载台133的上方；关闭阀104，启动第一真空系统120，使处理腔室100达到所需的真空度1E-3Pa。启动第一感应加热线圈136和第二感应加热线圈137，设定所需加热温度150℃，加热晶圆。升温结束后，控制加压装置135移动上晶圆010A，与中间晶圆010B的上表面接触。设定第一感应加热线圈136和第二感应加热线圈137的温度为键合所需温度250℃，达到所需的键合温度完成上晶圆010A与中间晶圆010B键合；键合后的上晶圆010A与中间晶圆010B由传送装置通过阀104传送至等离子轰击腔室200内；
（3’）键合后的上晶圆010A与中间晶圆010B通过静电吸附固定在第二上晶圆载台232下方，然后将下晶圆010C通过传送装置置于第二下晶圆载台233上方；第一等离子源241发射第一等离子束241A活化中间晶圆010B的下表面，第二等离子源242发射第二等离子束242A用于活化下晶圆010C的上表面；表面活化处理完成后，上晶圆010A与中间晶圆010B的组合以及下晶圆010C由传送装置通过阀104传送至处理腔室100内；
（4’）上晶圆010A与中间晶圆010B的组合通过静电吸附固定在第一上晶圆载台132下方，下晶圆010C固定在第一下晶圆载台133的上方。关闭阀104，启动第一真空系统120，使处理腔室100达到所需的真空度1E-3Pa。启动第一感应加热线圈136和第二感应加热线圈137，设定所需加热温度150℃，加热晶圆。控制加压装置135向下移动，将上晶圆010A、中间晶圆010B、下晶圆010C紧密贴合，设定第一感应加热线圈136和第二感应加热线圈137的温度为键合所需温度250℃，完成键合，得到复合晶圆。
键合完成后，关闭第一感应加热线圈136和第二感应加热线圈137，控制加压装置135向上移动，复合晶圆通过静电吸附作用吸附在第一上晶圆载台132下方，通过第一机械手134将复合晶圆取出。
实施例5
本实施例提供一种复合晶圆的制备装置，所述制备装置仅包括处理腔室100；所述处理腔室100的上部设置有第一进气口110和出气口112外，其余均与实施例1相同。
本实施例提供一种复合晶圆的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
（1）对上晶圆010A的下表面、中间晶圆010B的上表面和下表面以及下晶圆010C的上表面均进行甲酸还原处理，得到处理后的上晶圆010A、处理后的中间晶圆010B和处理后的下晶圆010C；所述中间晶圆010B的数量为1个；所述中间晶圆010B的直径比上晶圆010A的直径大0.02mm；所述中间晶圆010B的直径比下晶圆010C的直径大0.02mm；
具体操作包括：
上晶圆010A通过静电吸附固定在第一上晶圆载台132下方，下晶圆010C固定在第一下晶圆载台133的上方。中间晶圆010B通过第一机械手134夹持，放置在上晶圆010A和下晶圆010C之间，第一机械手134夹持中间晶圆010B的边缘，防止在中间晶圆010B表面产生沾污，同时第一机械手134可以通过转轴360°翻转，保证工艺过程中成膜的均匀性。关闭阀104，启动第一真空系统120，使处理腔室100达到所需的真空度1E-2Pa。
启动第一感应加热线圈136和第二感应加热线圈137，设定所需加热温度190℃，加热晶圆。升温结束后，从第一进气口110通过甲酸蒸汽，设定所需的还原时间为30min，对上晶圆010A的下表面、中间晶圆010B的上表面、中间晶圆010B的下表面和下晶圆010C的上表面进行充分的还原。还原完成后，关闭气体第二进气口111。
（2）依次叠合处理后的上晶圆010A、处理后的中间晶圆010B和处理后的下晶圆010C，进行加压键合处理，得到所述复合晶圆；
具体操作包括：
控制第一机械手134将中间晶圆010B下移，置于下晶圆010C上方，控制加压装置135移动上晶圆010A，与中间晶圆010B的上表面接触，而不产生额外的压力。设定第一感应加热线圈136和第二感应加热线圈137的温度为键合所需温度200℃，达到所需的键合温度后，控制加压装置135继续向下移动，将上晶圆010A、中间晶圆010B、下晶圆010C紧密贴合，当键合压力达到第一设定压力值0.5N，第一机械手134释放中间晶圆010B，之后继续增大键合压力达到第二设定压力值100N，保持60min，完成键合，得到复合晶圆。
键合完成后，关闭第一感应加热线圈136和第二感应加热线圈137，控制加压装置135向上移动，复合晶圆通过静电吸附作用吸附在第一上晶圆载台132下方，通过第一机械手134将复合晶圆取出。
实施例6
本实施例提供一种复合晶圆的制备装置，所述制备装置仅包括处理腔室100；所述处理腔室100的上部设置有第一进气口110、第二进气口111和出气口112外，其余均与实施例1相同。所述处理腔室100的结构示意图如图9所示。
本实施例提供一种复合晶圆的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
（1）对上晶圆010A的下表面、中间晶圆010B的上表面和下表面以及下晶圆010C的上表面均进行温度为250℃的化学气相沉积法低温生长纳米薄膜处理，得到处理后的上晶圆010A、处理后的中间晶圆010B和处理后的下晶圆010C；所述中间晶圆010B的数量为1个；所述中间晶圆010B的直径比上晶圆010A的直径大2mm；所述中间晶圆010B的直径比下晶圆010C的直径大2mm；
具体操作包括：
上晶圆010A通过静电吸附固定在第一上晶圆载台132下方，下晶圆010C固定在第一下晶圆载台133的上方。中间晶圆010B通过第一机械手134夹持，固定在上晶圆010A和下晶圆010C之间，第一机械手134夹持中间晶圆010B的边缘，防止在中间晶圆010B表面产生沾污，同时第一机械手134可以通过转轴上下翻转，保证工艺过程中成膜的均匀性。关闭阀104，启动第一真空系统120，使处理腔室100达到所需的真空度1E-5Pa。启动第一感应加热线圈136和第二感应加热线圈137，设定化学气相沉积的温度为250℃，加热晶圆。达到设定温度后，从第一进气口110通入硅烷（SiH4），从第二进气口111通入氨气（NH3），使硅烷（SiH4）和氨气（NH3）在上晶圆010A的下表面、中间晶圆010B的上表面、中间晶圆010B的下表面和下晶圆010C的上表面反应形成均匀的SiN薄膜。镀膜完成后关闭第一进气口110和第二进气口111。
（2）依次叠合处理后的上晶圆010A、处理后的中间晶圆010B和处理后的下晶圆010C，进行加压键合处理，得到所述复合晶圆；
具体操作包括：
控制第一机械手134将中间晶圆010B下移，置于下晶圆010C上方，控制加压装置135移动上晶圆010A，与中间晶圆010B的上表面接触，不需要有额外的压力。设定第一感应加热线圈136和第二感应加热线圈137的温度为键合所需温度250℃。达到所需的键合温度后，控制加压装置135继续向下移动，将上晶圆010A、中间晶圆010B、下晶圆010C紧密贴合，当键合压力达到第一设定压力值100N，第一机械手134释放中间晶圆010B，之后继续增大键合压力达到第二设定压力值100000N，保持30min，得到复合晶圆。
键合完成后，关闭第一感应加热线圈136和第二感应加热线圈137，控制加压装置135向上移动，复合晶圆通过静电吸附作用吸附在第一上晶圆载台132下方，通过第一机械手134将复合晶圆取出。
实施例7
本实施例提供一种复合晶圆的制备装置，所述制备装置均与实施例6相同。
本实施例提供一种复合晶圆的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
（1）对上晶圆010A的下表面、中间晶圆010B的上表面和下表面以及下晶圆010C的上表面均进行温度为240℃的原子层沉积法低温生长纳米薄膜处理，得到处理后的上晶圆010A、处理后的中间晶圆010B和处理后的下晶圆010C；所述中间晶圆010B的数量为1个；所述中间晶圆010B的直径比上晶圆010A的直径大0.3mm；所述中间晶圆010B的直径比下晶圆010C的直径大0.3mm；
具体操作包括：
上晶圆010A通过静电吸附固定在第一上晶圆载台132下方，下晶圆010C固定在第一下晶圆载台133的上方。中间晶圆010B通过第一机械手134夹持，固定在上晶圆010A和下晶圆010C之间，第一机械手134夹持中间晶圆010B的边缘，防止在中间晶圆010B表面产生沾污，同时第一机械手134可以通过转轴上下翻转，保证工艺过程中成膜的均匀性。关闭阀104，启动第一真空系统120，使处理腔室100达到所需的真空度1E-4Pa。启动第一感应加热线圈136和第二感应加热线圈137，设定所需原子层沉积工艺温度240℃，加热晶圆。达到设定温度后，从第一进气口110通入脉冲气体三甲基铝（Al(CH3)3），从第二进气口111通入脉冲气体水蒸气（H2O），通过原子层沉积反应使三甲基铝（Al(CH3)3）和水蒸气（H2O）在上晶圆010A的下表面、中间晶圆010B的上表面、中间晶圆010B的下表面和下晶圆010C的上表面反应形成均匀的Al2O3薄膜。镀膜完成后关闭第一进气口110和第二进气口111。
（2）依次叠合处理后的上晶圆010A、处理后的中间晶圆010B和处理后的下晶圆010C，进行加压键合处理，得到所述复合晶圆；
具体操作包括：
控制第一机械手134将中间晶圆010B下移，置于下晶圆010C上方，控制加压装置135移动上晶圆010A，与中间晶圆010B的上表面接触，不需要有额外的压力。设定第一感应加热线圈136和第二感应加热线圈137的温度为键合所需温度200℃。达到所需的键合温度后，控制加压装置135继续向下移动，将上晶圆010A、中间晶圆010B、下晶圆010C紧密贴合，当键合压力达到第一设定压力值70N，第一机械手134释放中间晶圆010B，之后继续增大键合压力达到第二设定压力值500N，保持50min，得到复合晶圆。
键合完成后，关闭第一感应加热线圈136和第二感应加热线圈137，控制加压装置135向上移动，复合晶圆通过静电吸附作用吸附在第一上晶圆载台132下方，通过第一机械手134将复合晶圆取出。
实施例8
本实施例提供一种复合晶圆的制备方法，所述制备方法除了步骤（2）中第一设定压力值为0.1N外，其余均与实施例1相同。
本实施例由于键合压力太小，第一机械手过早释放中间晶圆，而此时中间晶圆和下晶圆尚未紧密贴合，存在相互滑移的风险。
实施例9
本实施例提供一种复合晶圆的制备方法，所述制备方法除了步骤（2）中第一设定压力值为110N外，其余均与实施例1相同。
本实施例由于键合压力过大，第一机械手过晚释放中间晶圆，中间晶圆受到较大的压力同时又被第一机械手限制而不能自由移动，可能存在被损坏的风险。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (9)

1.一种复合晶圆的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
（1）对上晶圆、中间晶圆和下晶圆均进行表面活化处理，得到处理后的上晶圆、处理后的中间晶圆和处理后的下晶圆；所述中间晶圆的数量为至少1个；
（2）依次叠合处理后的上晶圆、处理后的中间晶圆和处理后的下晶圆，进行加压键合处理，得到所述复合晶圆。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，对步骤（1）所述上晶圆的下表面进行表面活化处理；
对步骤（1）所述中间晶圆的上表面和下表面均进行表面活化处理；
对步骤（1）所述下晶圆的上表面进行表面活化处理；
所述中间晶圆的直径比上晶圆的直径大0.02~2mm；
所述中间晶圆的直径比下晶圆的直径大0.02~2mm。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）所述表面活化处理包括等离子体轰击处理、甲酸还原处理或低温生长纳米薄膜处理中的任意一种；
所述低温生长纳米薄膜处理的温度<350℃；
所述低温生长纳米薄膜处理包括化学气相沉积法低温生长纳米薄膜处理或原子层沉积法低温生长纳米薄膜处理。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）所述加压键合处理的过程中，监测上晶圆或下晶圆所受到的键合压力；
当键合压力达到第一设定压力值0.5~100N，机械手释放中间晶圆，之后继续增大键合压力达到第二设定压力值100~100000N，保持0.5~240min。
5.根据权利要求1~4任一项所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
（1）对上晶圆的下表面、中间晶圆的上表面和下表面以及下晶圆的上表面均进行表面活化处理，得到处理后的上晶圆、处理后的中间晶圆和处理后的下晶圆；所述中间晶圆的数量为至少1个；
所述中间晶圆的直径比上晶圆的直径大0.02~2mm；所述中间晶圆的直径比下晶圆的直径大0.02~2mm；
所述表面活化处理包括等离子体轰击处理、甲酸还原处理或低温生长纳米薄膜处理中的任意一种；所述低温生长纳米薄膜处理的温度<350℃；所述低温生长纳米薄膜处理包括化学气相沉积法低温生长纳米薄膜处理或原子层沉积法低温生长纳米薄膜处理；
（2）依次叠合处理后的上晶圆、处理后的中间晶圆和处理后的下晶圆，进行加压键合处理，得到所述复合晶圆；
所述加压键合处理的过程中，监测上晶圆或下晶圆所受到的键合压力；当键合压力达到第一设定压力值0.5~100N，机械手释放中间晶圆，之后继续增大键合压力达到第二设定压力值100~100000N，保持0.5~240min。
6.一种复合晶圆的制备装置，其特征在于，所述装置用于实现权利要求1~5任一项所述的复合晶圆的制备方法；所述制备装置包括处理腔室；所述处理腔室与第一真空系统连接；
所述处理腔室包括位于处理腔室上部的第一上晶圆基座和位于处理腔室下部的第一下晶圆基座；
所述第一上晶圆基座内部集成有加压装置，所述加压装置在竖直方向上运动；所述加压装置的下端固定有第一上晶圆载台；所述第一上晶圆载台具有静电吸附功能；
所述第一下晶圆基座上固定有第一下晶圆载台；
所述处理腔室内设置有第一机械手。
7.根据权利要求6所述的制备装置，其特征在于，所述第一上晶圆载台内部设置有第一加热装置；
所述第一下晶圆载台内部设置有第二加热装置。
8.根据权利要求6所述的制备装置，其特征在于，所述制备装置包括等离子轰击腔室；
所述等离子轰击腔室与第二真空系统连接；
所述等离子轰击腔室包括位于等离子轰击腔室上部的第二上晶圆基座和位于等离子轰击腔室下部的第二下晶圆基座；
所述第二上晶圆基座的下端固定有第二上晶圆载台；所述第二上晶圆载台具有静电吸附功能；
所述第二下晶圆基座上固定有第二下晶圆载台；
所述等离子轰击腔室内设置有第二机械手；
所述等离子轰击腔室通过阀与处理腔室相连接。
9.根据权利要求8所述的制备装置，其特征在于，所述等离子轰击腔室内设置有至少2个等离子源；
所述等离子源的设置方式包括固定设置、通过导轨移动或通过升降装置移动中的任意一种；
所述导轨的形状包括U形。
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