CN115863241A - 一种晶圆键合方法及键合结构 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种晶圆键合方法及晶圆键合结构，涉及半导体封装技术领域。方法包括：获取待键合的第一晶圆和第二晶圆；所述第一晶圆包括第一面；所述第二晶圆包括第二面；对所述第一晶圆的所述第一面涂覆键合胶形成键合面；在第一温度下的第一真空环境中对所述键合胶加热烘干；以预设间隔距离固定所述第一晶圆和所述第二晶圆，在第二真空环境中对所述键合胶加热至第二温度；在所述第二温度下将所述第一晶圆的所述键合面与所述第二晶圆的所述第二面相互接触，形成键合结构。该方法可以避免键合胶加热气化后部分组分形成的气体以气泡方式从胶内部溢出，进而键合面表面连贯性被破坏，在第二真空环境中使晶圆贴合，不会对铜柱结构产生额外压力和影响。

Description

一种晶圆键合方法及键合结构

技术领域

本发明涉及半导体封装技术领域，特别涉及一种晶圆键合方法及键合结构。

背景技术

越来越多的半导体工艺，为提高器件性能或实现三维互联的TSV通孔制作要求，需要将器件晶圆减薄，而减薄后的器件晶圆，其物理结构和稳定性因背面的必要磨削而大大降低，在接下来的薄器件晶圆加工和制作单个微芯片过程中，薄器件晶圆非常容易被损坏，因此需要将器件晶圆通过键合胶与载片晶圆临时键合在一起，再进行器件晶圆减薄和后续工艺，然后通过解键合机把晶圆与载片分离。

在晶圆临时键合的过程中，对于带有高铜柱或深槽结构的晶圆，临时键合胶需要多次涂覆达到较厚胶层，才能够完全包覆其高铜柱或深槽结构。由于高铜柱或深槽结构的影响，无法避免在键合时晶圆结构孔隙中存在大量气泡空洞；在键合过程中为排除气泡空洞还需要进行加压键合，但施加大压力会对铜柱结构造成结构损坏。

发明内容

为至少解决一个上述技术问题，本发明公开了一种晶圆键合方法及键合结构。

第一方面，本发明提供一种晶圆键合方法，包括：

获取待键合的第一晶圆和第二晶圆；所述第一晶圆包括第一面；所述第二晶圆包括第二面；对所述第一晶圆的所述第一面涂覆键合胶形成键合面；所述第一晶圆包括铜柱或深槽结构；或者，所述第二晶圆包括铜柱或深槽结构；

在第一温度下的第一真空环境中对所述键合胶加热烘干；所述第一真空环境是按照预设程度等级进行逐级抽真空形成的；

以预设间隔距离固定所述第一晶圆和所述第二晶圆，在第二真空环境中对所述键合胶加热至第二温度；

在所述第二温度下将所述第一晶圆的所述键合面与所述第二晶圆的所述第二面相互接触，形成键合结构。

可选的，所述对所述第一晶圆的所述第一面涂覆键合胶包括：在真空涂胶台中对所述第一晶圆的所述第一面旋涂所述键合胶。

可选的，对所述第一晶圆的所述第一面按照预设次数涂覆所述键合胶以使所述键合结构中的键合胶包覆所述铜柱或深槽结构。

可选的，所述在第一温度下的第一真空环境中对所述键合胶加热烘干之前包括：

在真空热板中对所述键合胶加热至所述第一温度；

在所述第一温度下对所述真空热板按照预设程度等级进行预设次数的抽真空操作，形成所述第一真空环境。

可选的，所述方法还包括：向所述真空热板中回充第一气体，通过所述第一气体挤压所述键合胶。

可选的，所述以预设间隔距离固定所述第一晶圆和所述第二晶圆，在第二真空环境中对所述键合胶加热至第二温度包括：

将所述第一晶圆和所述第二晶圆固定在键合腔室中并使所述第一晶圆和所述第二晶圆保持预设间隔距离；

对所述键合腔室进行抽真空形成所述第二真空环境；

在所述第二真空环境中对所述键合胶加热至所述第二温度。

可选的，所述方法还包括：向所述键合腔室中回充第二气体，通过所述第二气体对所述键合结构施加压力。

另一方面，本发明提供一种晶圆键合结构，由上述的晶圆键合方法制成。

采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：

本发明对待键合的晶圆表面涂覆键合胶，在加热烘干阶段当加热到第一温度时形成逐级抽真空形成第一真空环境，可以加速键合胶加热气化后部分组分形成的气体直接逐渐挥发，避免气体以气泡方式从胶内部溢出，破坏键合面的完整性；在第二真空环境中键合，保证后续的键合结构中不会困有气泡，加热至第二温度即键合胶的键合温度使晶圆相互贴合，不会对晶圆结构产生额外压力和影响，防止键合过程中结构被破坏。

本发明其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，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，其中，相同的参照标号通常代表相同部件。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为本申请实施例的晶圆键合方法的流程示意图；

图2为本申请实现晶圆键合方法具体实施例对应的结构示意图。

以下对附图作补充说明：

100、器件晶圆；101、铜柱结构；102、键合面；200、载片晶圆；201、载片晶圆的第二面；300、键合结构。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。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作出创造性劳动的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。

此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”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”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”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。

现有的晶圆临时键合工艺，对于带有高铜柱或深槽结构的晶圆，临时键合胶需要涂覆较厚胶层（通常在80-120微米），才能够完全包覆高铜柱或深槽结构，由于高铜柱或深槽结构的影响，该种工艺完全无法避免在涂胶后键合时晶圆结构孔隙中存在大量气泡空洞（未涂到胶的地方），在键合烘烤过程中，由于键合胶的挥发性组份形成气体，无法妥善控制其溢出甚至在表面爆开而形成破坏空洞，目前仅能够保证最大空洞不超过10mm直径。使用传统的高温蜡工艺，每次涂布厚度仅能够在15-20微米，因此需要涂多次才能达到需要的厚度，在多次涂布后高温蜡均匀性也较差，厚度差（TTV）一般在20微米以上，在高温蜡键合过程中还需要进行加压键合，加压有利于排除气泡空洞，但大压力又会压坏铜柱结构，很难找到平衡的工艺窗口。

本发明提供的晶圆键合方法能够有效解决上述现有技术中的问题，本发明实施例所使用的设备包括但不限于带真空的涂胶台、真空热板、真空键合机，在其他实施例中采用其他可行设备执行本发明的晶圆键合方法及所得到的晶圆键合结构均在本发明的保护范围之内。

参照图1，其所示为本发明实施例提供的一种晶圆键合方法的流程示意图。需要说明的是，本说明书提供了如实施例或流程图的方法操作步骤，但基于常规或者无创造性的劳动可以包括更多或者更少的操作步骤。实施例中列举的步骤顺序仅仅为众多步骤执行顺序中的一种方式，不代表唯一的执行顺序。在实际中的系统或服务器产品执行时，可以按照实施例或者附图所示的方法顺序执行或者并行执行。具体的如图1所示，本发明实施例提供的晶圆键合方法包括：

S101，获取待键合的第一晶圆和第二晶圆；所述第一晶圆包括第一面；所述第二晶圆包括第二面；对所述第一晶圆的所述第一面涂覆键合胶形成键合面；所述第一晶圆包括铜柱或深槽结构；或者，所述第二晶圆包括铜柱或深槽结构。

具体的，本发明实施例中，第一晶圆为待键合的器件晶圆，其带有铜柱或深槽结构；第二晶圆为载片晶圆，第一晶圆的第一面为铜柱或深槽结构所在的表面，第二晶圆的第二面为用于与第一晶圆键合的表面。在一些其他实施例中，第一晶圆可以为载片晶圆，第一晶圆的第一面为用于与第二晶圆键合的表面，第二晶圆为待键合的器件晶圆，其带有铜柱或深槽结构，第二晶圆的第二面为铜柱或深槽结构所在的表面，也就是在载片晶圆的第一面涂覆键合胶，用于两者键合；在另一些其他实施例中，待键合的器件晶圆也可以为不带有铜柱或深槽结构的普通晶圆，在器件晶圆或者载片晶圆的表面涂覆键合胶，用于两者键合。

作为一种可选的实施方式，所述对所述第一晶圆的所述第一面涂覆键合胶包括：在真空涂胶台中对所述第一晶圆的所述第一面旋涂所述键合胶。

作为一种可选的实施方式，对所述第一晶圆的所述第一面按照预设次数涂覆所述键合胶以使所述键合结构中的键合胶包覆所述铜柱或深槽结构。

具体的，本发明实施例中，在真空涂胶台中对第一晶圆的第一面采用旋涂的方式涂覆键合胶，键合胶使用高厚度专用临时键合胶，一次涂胶厚度可达到45-65微米，仅需要两次涂胶即可包覆所述铜柱或深槽结构。在一些其他实施例中，采用其他普通键合胶或高温蜡进行涂覆，每次涂覆厚度在15-20微米，故可以涂覆五到六次；在另一些其他的实施例中，对于不带有特殊结构的普通器件晶圆，也可以在非真空环境下涂覆键合胶，普通器件晶圆无需涂覆较厚胶层以包覆特殊结构，如果采用高厚度专用临时键合胶涂覆一次即可，针对不同的晶圆，键合胶的种类及涂覆次数可根据实际情况而定。采用以上实施方式，对特殊结构的第一晶圆涂覆键合胶可避免气体被困在结构中形成空洞。

S102，在第一温度下的第一真空环境中对所述键合胶加热烘干；所述第一真空环境是按照预设程度等级进行逐级抽真空形成的。

作为一种可选的实施方式，在步骤S102之前还包括：

在真空热板中对所述键合胶加热至所述第一温度；

在所述第一温度下对所述真空热板按照预设程度等级进行预设次数的抽真空操作，形成所述第一真空环境。

具体的，本发明实施例在加热烘干阶段采用真空热板，将涂覆键合胶的第一晶圆放置于真空热板中，加热至第一温度，本发明实施例中，在预设气压下的第一温度比使键合胶的部分挥发性组分沸点高，能够使得键合胶的挥发性组分在第一温度下受热挥发。作为一种可选的实施方式，第一温度为80摄氏度至100摄氏度。在其他实施方式中涂覆其他键合胶，第一温度可以根据键合胶的特性以及所需的预设气压进行设定，此处不做限定，均在本发明的保护范围之内。

为加速部分挥发性组分形成的气体从胶内部溢出，对真空热板进行抽真空操作，但如果直接将真空度抽到最高，则气体将迅速形成大气泡并在表面爆开导致键合胶的表面形貌破坏和形成空洞，并导致胶厚均匀性变差，因此本发明实施例在第一温度下，对真空热板按照预设程度等级进行预设次数进行逐级抽真空，达到预设气压，同时微调第一温度，可以控制键合胶的挥发性组分在受控状态下逐渐挥发，这样既保证挥发性组分的充分溢出使得在后续键合过程中不会再形成气泡空洞，又保证了在气体溢出过程中，不产生大气泡而破坏键合胶的表面形貌进而造成较差的厚度差（TTV），采用以上实施方式，键合胶的TTV 可优于5微米。

作为一种可选的实施方式，在步骤S102之后还包括：向所述真空热板中回充第一气体，通过所述第一气体挤压所述键合胶。具体的，第一气体可以为稳定气体比如氮气，通过回充的第一气体可以进一步挤压出气泡内的气体而不对铜柱等特殊结构造成影响。

S103，以预设间隔距离固定所述第一晶圆和所述第二晶圆第二晶圆，在第二真空环境中对所述键合胶加热至第二温度。

作为一种可选的实施方式，步骤S103包括：

将所述第一晶圆和所述第二晶圆第二晶圆固定在键合腔室中并使所述第一晶圆和所述第二晶圆第二晶圆保持预设间隔距离；

对所述键合腔室进行抽真空形成所述第二真空环境；

在所述第二真空环境中对所述键合胶加热至所述第二温度。

具体的，本发明实施例采用真空键合机作为键合腔室，要注意首先通过载台工装将第一晶圆和第二晶圆固定，并保持预设间隔距离以保证两者充分分离，防止因键合胶受热流动相互粘连。然后对真空键合机抽真空，确保后续键合后形成的键合结构中不会困有气泡，加热至第二温度即键合胶达到键合温度后，进行后续的键合步骤。作为一种可选的实施方式，第二温度为130摄氏度至200摄氏度。在其他实施方式中涂覆其他键合胶，第二温度可以根据键合胶的特性进行设定，此处不做限定，均在本发明的保护范围之内。

S104，在所述第二温度下将所述第一晶圆的所述键合面与所述第二晶圆的所述第二面相互接触，形成键合结构。

具体的，本发明实施例中，将第一晶圆的键合面竖直方向上朝上放置，利用第二晶圆自身的重力，使第一晶圆的键合面与第二晶圆的第二面相互贴合，由于键合面的键合胶具有良好的厚度差（TTV），故此处采无压键合，防止对铜柱结构产生破坏。在一些其他实施方式中，在保证不破坏铜柱结构的情况下，也可以对键合结构进行微压键合，此处压力相较于普通晶圆键合的压力较小；在另一些其他实施方式中，对于无特殊结构的普通晶圆，可以采取正常压力键合或者无压（微压）键合，所得到的晶圆键合结构均在本发明的保护范围之内。

作为一种可选的实施方式，在步骤S102之后还包括：向所述键合腔室中回充第二气体，通过所述第二气体对所述键合结构施加压力。

具体的，第二气体可以为稳定气体比如氮气，通过第二气体对键合结构中的键合面产生一定压力，进一步改善晶圆间贴合及键合胶中的空洞排出，且不会对铜柱结构产生额外大压力和影响。

需要说明的是，本发明所涉及的第一晶圆和第二晶圆，包括但不限于碳化硅、硅、磷化铟、砷化镓、蓝宝石、玻璃等不同材质，晶圆的特殊结构包括但不限于空气桥、铜柱、深槽等结构。

本发明基于以上实施方式，在真空中对特殊结构的第一晶圆涂覆键合胶可避免气体被困在结构中形成空洞，加热烘干阶段逐级抽真空可以加速键合胶胶加热气化后部分挥发性组分形成的气体从胶内部逐渐挥发，相较于直接高度抽真空，能够避免气体迅速形成大气泡并在表面爆开导致胶的表面形貌破坏和形成空洞，进而导致胶厚均匀性变差；进一步的，破真空过程中还可通过回充第一气体挤压出气泡内的气体而不对铜柱结构造成影响；在真空键合时，利用胶本身较好的厚度差和晶圆重力，采用无压（或微压）键合的方式将待键合的第一晶圆和第二晶圆键合，并通过回充第二气体对键合面产生一定压力，进一步改善晶圆间贴合及空洞排出，且不会对铜柱产生额外压力和影响。

为了便于理解本发明的技术方案，下面举一个具体实施例进行详细说明：

参考图2，获取带有铜柱结构101的器件晶圆100，在真空涂胶台中对器件晶圆带有铜柱的表面旋涂键合胶形成键合面102，本实施例采用高厚度专用临时键合胶，涂覆两次使得键合胶包覆铜柱结构；在真空热板中对器件晶100圆加热烘干，加热至90度，对真空热板逐级抽真空，加速键合胶中部分挥发性组分形成的气体从胶内部溢出；向真空热板中回充氮气进行破真空，通过氮气进一步挤压出气泡内的气体，然后取出器件晶圆100，获取载片晶圆200，将器件晶圆100和载片晶圆200固定在真空键合机中，并保持一定距离，对真空键合机抽真空并加热至150摄氏度，使键合胶达到良好的键合温度，将器件晶圆的键合面竖直方向上朝上放置，利用载片晶圆自身的重力，使器件晶圆的键合面102与载片晶圆200的第二面201相互贴合，形成键合结构300；然后向真空键合机中回充氮气，通过氮气对键合结构300中的键合面102产生一定压力，进一步改善晶圆间贴合及键合胶中的空洞排出。

另一方面，本发明提供一种晶圆键合结构，由上述的晶圆键合方法制成。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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 (8)

1.一种晶圆键合方法，其特征在于，包括：

获取待键合的第一晶圆和第二晶圆；所述第一晶圆包括第一面；所述第二晶圆包括第二面；对所述第一晶圆的所述第一面涂覆键合胶形成键合面；所述第一晶圆包括铜柱或深槽结构；或者，所述第二晶圆包括铜柱或深槽结构；

在第一温度下的第一真空环境中对所述键合胶加热烘干；所述第一真空环境是按照预设程度等级进行逐级抽真空形成的；

以预设间隔距离固定所述第一晶圆和所述第二晶圆，在第二真空环境中对所述键合胶加热至第二温度；

在所述第二温度下将所述第一晶圆的所述键合面与所述第二晶圆的所述第二面相互接触，形成键合结构。

2.根据权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述对所述第一晶圆的所述第一面涂覆键合胶包括：在真空涂胶台中对所述第一晶圆的所述第一面旋涂所述键合胶。

3.根据权利要求1任一项所述的晶圆键合方法，其特征在于，对所述第一晶圆的所述第一面按照预设次数涂覆所述键合胶以使所述键合结构中的键合胶包覆所述铜柱或深槽结构。

4.根据权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述在第一温度下的第一真空环境中对所述键合胶加热烘干之前包括：

在真空热板中对所述键合胶加热至所述第一温度；

在所述第一温度下对所述真空热板按照预设程度等级进行预设次数的抽真空操作，形成所述第一真空环境。

5.根据权利要求4所述的晶圆键合方法，其特征在于，还包括：向所述真空热板中回充第一气体，通过所述第一气体挤压所述键合胶。

6.根据权利要求1所述的晶圆键合方法，其特征在于，所述以预设间隔距离固定所述第一晶圆和所述第二晶圆，在第二真空环境中对所述键合胶加热至第二温度包括：

将所述第一晶圆和所述第二晶圆固定在键合腔室中并使所述第一晶圆和所述第二晶圆保持预设间隔距离；

对所述键合腔室进行抽真空形成所述第二真空环境；

在所述第二真空环境中对所述键合胶加热至所述第二温度。

7.根据权利要求6所述的晶圆键合方法，其特征在于，还包括：向所述键合腔室中回充第二气体，通过所述第二气体对所述键合结构施加压力。

8.一种晶圆键合结构，其特征在于，由权利要求1至7任一项所述的晶圆键合方法制成。

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