CN117096065B - 一种大尺寸超薄钽酸锂晶片键合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体制造工艺领域，具体涉及一种大尺寸超薄钽酸锂晶片键合方法，包括如下步骤：将待键合晶片抛光后在酸液中浸泡；将待键合晶片清洗后甩干；使用等离子体对晶片表面进行活化处理；使用碱性溶液冲洗晶片并甩干；将待键合晶片对准并加压；进行阶段式升降温退火，最终获得键合强度高且键合质量好的键合片。本发明通过工艺改进，可在低温环境下完成钽酸锂晶片与其他材料晶片的键合，并有效解决了大尺寸超薄钽酸锂晶片键合易翘曲碎片、键合强度低、键合质量差的问题，保证了键合的可靠性和稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造工艺领域，具体涉及一种大尺寸超薄钽酸锂晶片键合方法。
背景技术
随着集成电路技术向着多功能、多类型化方向发展，需要将具有不同特征和材料的多个不同组件或晶片制造、组装和封装到单个器件上以提高新一代器件的性能，晶圆键合技术可以实现新结构、高效低成本制造和材料的异质集成，满足超摩尔定律的要求，因此在半导体领域成为了不可或缺的关键技术。
钽酸锂(LiTaO3，简称LT)晶体具有优良的压电、声光、铁电、热释电效应，是声表面波器件、光通讯、激光及光电子领域中的基本功能材料，随着第五代基础设施、网络、通信技术的发展，作为智能手机射频前端核心元器件的声表面波滤波器市场持续增长，与此同时市场对声表面波滤波器的性能要求越来越高，为提高声表面波滤波器的性能，需要使用键合技术将钽酸锂晶片与其他材料晶片结合至一起以满足声表面波滤波器低插入损耗、高带宽和良好的热稳定性需求，然而现有晶圆键合技术适用的主体多为硅片。钽酸锂晶体硬度较低（莫氏硬度5.5），同时具有热释电性，对温度更加敏感，在进行键合加工时，钽酸锂晶圆越薄，尺寸越大，越容易发生晶圆弯曲变形甚至碎片，特别是退火加工，大尺寸超薄晶片在退火过程中更易受到热应力的影响，随着晶片尺寸的增大，晶片的温度均匀性难以保证，晶片内部会出现温度梯度，不同区域的膨胀系数也可能存在差异，这些因素会导致晶片内部产生热应力进而造成翘曲或裂片。现有的键合退火工艺大多采用高温退火或者以恒定速率升至退火温度，温度过高或升降温不合理会引起应力集中，造成键合界面的开裂和损伤，影响钽酸锂晶片功能层，键合可靠性和稳定性难以保证；目前也有采用低温进行退火的工艺，虽然能减少晶片高温碎裂，但直接降低退火温度会造成晶片键合效果差，故以现有的键合技术进行大尺寸超薄钽酸锂晶片键合加工容易发生晶片翘曲、碎片或键合强度较低，亟需开发一种适用于大尺寸超薄钽酸锂晶片的键合方法。
公开号为CN109786229B的发明专利公开了一种无需高温处理的晶圆键合方法，避免了高温键合造成的热失配问题，但只适用于2～4英寸晶圆键合且键合过程必须在真空环境下完成。
公告号为CN112053939B的发明专利公开了一种通过脉冲偏压等离子体对晶圆进行激活处理实现晶片键合的方法，但该方法仅通过等离子对晶圆进行活化，退火采取直接升温的方法，同时低温退火的时间较短，键合强度难以保证，不适用于钽酸锂晶片的键合加工。
公告号为CN101677057B的发明专利公开了一种利用真空键合机实现低温III—V族材料与Si材料的键合方法，该方法设置两次热处理并分别设置多个保温阶段，但保温温度非恒定且热处理温度过高，钽酸锂晶片具有热释电特性对温度变化更为敏感，该方法不适用于钽酸锂晶片的键合加工。
因此，现有技术中缺乏一种键合强度高、键合质量好、不易碎片的大尺寸超薄钽酸锂晶片键合方法。
发明内容
本发明提供了一种大尺寸超薄钽酸锂晶片键合方法，以解决现有技术的缺陷，该方法加工过程稳定，解决了现有大尺寸超薄钽酸锂晶片键合完成后键合质量差、键合强度低、易碎片的问题。
本发明解决问题所采用的技术方案是：一种大尺寸超薄钽酸锂晶片键合方法，包括以下步骤：
a)将钽酸锂晶片及与钽酸锂晶片键合的晶片进行抛光加工，抛光后放入酸性溶液中浸泡，然后清洗晶片表面残余药液；
b)将步骤a）处理后的晶片先后放入清洗液和超纯水中超声清洗，清洗完成后将晶片甩干；
c）使用等离子体对步骤b)处理后晶片的正面进行表面活化处理；
d）冲洗步骤c）处理后的晶片，冲洗完成后，甩干晶片；
e）将步骤d）处理后的两片待键合晶片正面贴合在一起并确保两片晶片边缘完全对准，将对准后的晶片放至键合腔中加压进行预键合；
f）将步骤e）处理后的晶片进行退火处理，按以下工艺逐步调节退火温度：以1～3℃/min的速率升至70～80℃，保温2～5h；以0.5～2℃/min的速率升至90～95℃，保温2～5h；以0.5～1.5℃/min的速率升至105～110℃，保温2～5h；以0.5～1℃/min的速率升至120～125℃，保温2～5h；以0.5～1℃/min的速率升至135～138℃，保温2～5h；以0.5～1℃/min的速率升至147～150℃，保温8～20h；以0.5～2℃/min的速率降至110～120℃，保温1～3h；以1～2℃/min的速率降至80～90℃，保温1～3h；以1～3℃/min的速率降至室温，得到钽酸锂键合晶片，所得键合晶片键合强度高，键合界面质量好。
上述步骤a）中，将晶片进行抛光，提高晶片表面平坦度和粗糙度，保证键合强度，抛光加工后的晶片平坦度小于3μm，粗糙度小于0.5nm，同时抛光加工可以去除晶片表面氧化层，便于后续加工提高表面活化效果；抛光完成后将晶片放入酸性溶液中浸泡，去除残留抛光液，防止抛光液结晶，同时提高晶片表面活性和亲水性，便于提高晶片表面羟基的数量，保证键合强度，酸性溶液由硫酸和双氧水按体积比2～4：1混合而成，硫酸质量分数为96～98%，浸泡温度为70～90℃，浸泡时间为20～35min；浸泡完成后，使用纯水清洗晶片表面残余药液。
上述步骤b）中，采用清洗液超声清洗去除晶片表面颗粒沾污和有机物沾污，避免因晶片表面有颗粒、油脂沾污导致键合界面存在气泡，同时活化晶片表面，超声清洗频率为40kHz，清洗液由氨水、双氧水和水按体积比1：1：5～15混合而成，清洗温度为40～60℃，清洗时间为10～25min，清洗液清洗后采用超纯水清洗去除晶片表面清洗液残留，清洗后的晶片表面无粒径大于0.15μm的颗粒，粒径0.1μm的颗粒数量小于10颗。
上述步骤c）中，使用等离子体对待键合晶片进行表面活化处理，提高晶片表面活性，等离子体为N2、H2、Ar、O2的一种，表面活化时间为15～35s，活化功率为200～350W。
上述步骤d）中，使用碱性溶液和纯水冲洗晶片，进一步提高其表面活性和亲水性，增加晶片表面羟基数量，保证后续键合强度，碱性溶液由氨水、双氧水和水组成，氨水、双氧水和水的体积比为1：1：10～20，碱性溶液冲洗后使用纯水冲洗，冲洗时间为15～60s；冲洗完成后，通入N2甩干时间为20～50s。
上述步骤e）中，将尺寸形状相同的两片待键合晶片正面贴合在一起并保证晶片边缘完全对准，将对准后晶片放入键合腔中加压确保键合晶片紧密接触，消除气泡，提高键合质量，键合腔压力为1000～10000N，预键合时间1～5h。
上述步骤f）中，将晶片放入退火炉中进行退火处理，使得两片待键合晶片表面悬挂的羟基键完成脱水缩合形成共价键，提高键合强度，由于钽酸锂晶片莫氏硬度低、热膨胀系数大，对温度变化更敏感，为避免高温加热造成钽酸锂晶片碎片，同时避免退火温度变化过大时，两种材料热膨胀系数的较大差异造成晶片翘曲、解键合或碎片，需要严格控制退火温度，避免温度过高，同时控制升降温速率和保温过渡时间保证晶片温度均匀性。
作为一种优选，键合过程在1～100级洁净室中进行，钽酸锂晶片厚度为150～1000μm，钽酸锂晶片尺寸为6～8英寸。
作为一种优选，与钽酸锂晶片键合的晶片材料为蓝宝石、硅、碳化硅、石英的一种，蓝宝石、硅、碳化硅、石英的形状尺寸与钽酸锂晶片一致。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
第一方面，本发明采用的晶片键合方法通过泡酸、清洗、等离子多步工艺提高晶片表面活性，增加晶片表面活性团的数量，通过晶片间化学键结合实现键合，键合质量好，键合强度高，加工中不易发生翘曲碎片，更适用于大尺寸超薄钽酸锂晶片的键合；
第二方面，本发明首先对晶片进行抛光加工提高晶片表面质量，去除表面氧化层，提高后续活化效果，然后放入酸液中浸泡，在去除残留抛光液的同时，提高晶片表面活性和亲水性，便于增加晶片表面羟基的数量，保证了键合强度；
第三方面，本发明采用的晶片键合方法将晶片清洗干净后进行表面活化处理，晶片表面残留的微小颗粒与等离子体接触后会被进一步清理，保证了晶片表面的洁净度，避免晶片表面残留颗粒导致键合界面产生气泡；
第四方面，本发明采用的晶片键合方法可以在低温下实现钽酸锂晶片与其他晶片的键合，设计了逐步升降温工艺，每个阶段配有保温时间，保证不同材料的温度变化更加均匀，促进材料界面之间的扩散过程，降低热应力梯度，减小由于温度差异引起的应力集中，解决了温度过高或温差过大造成的晶片翘曲、碎片问题，同时避免高温处理对钽酸锂晶片功能层造成影响，保证了键合的可靠性和稳定性。
附图说明
图1为实施例1加工流程图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
实施例1：
a)准备厚度200μm的6英寸钽酸锂晶片、厚度为300μm且与钽酸锂形状相同的6英寸蓝宝石晶片，将钽酸锂晶片及蓝宝石晶片进行抛光加工，抛光后放入硫酸和双氧水体积比4：1的酸性溶液中浸泡30min，硫酸质量分数为98%，浸泡温度为70℃，浸泡完成后放入纯水中清洗2min，具体加工流程见图1；
b)将钽酸锂晶片及蓝宝石晶片放入由氨水、双氧水和水按体积比1：1：5制成的清洗液中超声清洗20min，超声清洗频率为40kHz，清洗温度为40℃，清洗完成后甩干晶片；
c）使用N2等离子体对钽酸锂晶片和蓝宝石晶片正面进行表面活化处理，活化时间20s，活化功率200W；
d）按氨水、双氧水和水体积比为1：1：15配制碱性溶液，使用碱性溶液冲洗钽酸锂晶片和蓝宝石晶片正面，冲洗时间30s，然后使用纯水冲洗30s，冲洗完成后通入N2并甩干晶片，甩干时间30s；
e）将甩干后的钽酸锂晶片和蓝宝石晶片进行正面对准并将对准后晶片放置于压力为4000N的键合腔中预键合2h；
f）将键合腔中的晶片放入退火炉中进行退火处理，退火炉温度控制如下：以2℃/min的速率升至80℃，保温3h；以1℃/min的速率升至95℃，保温3h；以1℃/min的速率升至110℃，保温3h；以1℃/min的速率升至125℃，保温3h；以0.5℃/min的速率升至138℃，保温3h；以0.5℃/min的速率升至150℃，保温12h；以1℃/min的速率降至110℃，保温2h；以1℃/min的速率降至80℃，保温1h；以2℃/min的速率降至室温，取出键合晶片完成退火。
本实施例制备的钽酸锂键合晶片经检验，键合无翘曲，键合界面无气泡，键合良率96.53%，键合中无碎片，使用插刀法测得键合强度超过2.56J/m2，满足后续器件加工要求。
对比例1：
a）使用N2等离子体对钽酸锂晶片和蓝宝石晶片正面进行表面活化处理，活化时间20s，活化功率200W；
b）按氨水、双氧水和水体积比为1：1：15配制碱性溶液，使用碱性溶液冲洗钽酸锂晶片和蓝宝石晶片正面，冲洗时间30s，然后使用纯水冲洗30s，冲洗完成后通入N2并甩干晶片，甩干时间30s；
c）将甩干后的钽酸锂晶片和蓝宝石晶片进行正面对准并将对准后晶片放置于压力为4000N的键合腔中预键合2h；
d）将键合腔中的晶片放入退火炉中进行退火处理，退火炉温度控制如下：以2℃/min的速率升至80℃，保温3h；以1℃/min的速率升至95℃，保温3h；以1℃/min的速率升至110℃，保温3h；以1℃/min的速率升至125℃，保温3h；以0.5℃/min的速率升至138℃，保温3h；以0.5℃/min的速率升至150℃，保温12h；以1℃/min的速率降至110℃，保温2h；以1℃/min的速率降至80℃，保温1h；以2℃/min的速率降至室温，取出键合晶片完成退火。
本对比例制备的钽酸锂键合晶片经检验键合界面存在气泡，气泡率8.75%，部分键合晶片存在翘曲，翘曲率3.56%，键合良率85.68%，键合强度1.36J/m2，分析原因为晶片表面活化前未进行抛光清洗，晶片表面质量差造成键合界面存在气泡和翘曲，晶片表面活化前未进行酸液浸泡和清洗，仅通过等离子活化晶片造成晶片表面活性和亲水性不足，进而造成键合强度较低。
对比例2：
a）同实施例1；
b）同实施例1；
c）同实施例1；
d）同实施例1；
e）同实施例1;
f）将键合腔中的晶片放入退火炉中进行退火处理，退火炉温度控制如下：以2℃/min的速率升至100℃，保温3h；以2℃/min的速率升至150℃，保温3h；以1℃/min的速率升至180℃，保温3h；以1℃/min的速率升至210℃，保温3h；以0.5℃/min的速率升至230℃，保温12h；以1℃/min的速率降至150℃，保温2h；以1℃/min的速率降至90℃，保温1h；以2℃/min的速率降至室温，取出键合晶片完成退火。
本对比例制备的钽酸锂键合晶片经检验键合界面无气泡，但碎片率达到5.59%，翘曲率达到7.33%，键合良率86.77%，键合强度2.29J/m2，分析原因为退火温度过高，同时升温时阶段跨度过大，由于热膨胀系数不同，温度升高后两种材料以不同的速率膨胀，键合界面产生过多的热应力，造成晶片翘曲、碎片增加。
对比例3：
a)同实施例1;
b）同实施例1;
c）同实施例1;
d）同实施例1;
e）同实施例1;
f）将键合腔中的晶片放入退火炉中进行退火处理，以1℃/min的速率升至150℃，保温25h；以2℃/min的速率降至室温，取出键合晶片完成退火。
本对比例制备的钽酸锂键合晶片经检验键合界面无气泡，碎片率14.97%，翘曲率15.47%，键合良率65.82%，键合强度1.91J/m2，分析原因为在进行退火加工升降温过程中未设置保温时间，键合界面产生较大的热应力和温度梯度，引起应力集中和应力裂纹的形成进而导致翘曲率和碎片率大幅增加。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种大尺寸超薄钽酸锂晶片键合方法，其特征在于，包括下列具体步骤：
a）将厚度为200～1000μm的钽酸锂晶片及与钽酸锂晶片键合的晶片进行抛光加工，抛光加工后的晶片平坦度小于3μm，粗糙度小于0.5nm，抛光后放入酸性溶液中浸泡，然后清洗晶片表面残余药液，其中，晶片尺寸为6-8英寸；
b）将步骤a）处理后的晶片先后放入清洗液和超纯水中超声清洗，清洗完成后，将晶片甩干；
c）使用等离子体对步骤b)处理后晶片的正面进行表面活化处理；
d）冲洗步骤c）处理后的晶片，冲洗完成后，甩干晶片；
e）将步骤d）处理后的两片待键合晶片正面贴合在一起并确保两片晶片边缘完全对准，将对准后的晶片放至键合腔中加压进行预键合，键合腔压力为1000～10000N, 预键合时间为1～5h；
f）将步骤e）处理后的晶片进行退火处理，按以下工艺逐步调节退火温度：以1～3℃/min 的速率升至70～80℃，保温2～5h；以0.5～2℃/min 的速率升至90～95℃，保温2～5h；以0.5～1.5℃/min的速率升至105～110℃，保温2～5h；以0.5～1℃/min 的速率升至120～125℃，保温2～5h；以0.5～1℃/min 的速率升至135～138℃，保温2～5h；以0.5～1℃/min的速率升至147～150℃，保温8～20h；以0.5～2℃/min 的速率降至110～120℃，保温1～3h；以1～2℃/min 的速率降至80～90℃，保温1～3h；以1～3℃/min 的速率降至室温，得到钽酸锂键合晶片。
2.根据权利要求1 所述的一种大尺寸超薄钽酸锂晶片键合方法，其特征在于，所述步骤a)中，对晶片进行抛光，抛光后放入酸液中浸泡，酸性溶液由硫酸和双氧水按体积比2～4：1 混合而成，硫酸质量分数为96～98%，浸泡温度为70～90℃，浸泡时间为20～35min。
3. 根据权利要求1 所述的一种大尺寸超薄钽酸锂晶片键合方法，其特征在于，所述步骤b)中，超声频率为40kHz，清洗液由氨水、双氧水和水按体积比1：1：5～15 混合而成，清洗温度为40～60℃，清洗时间为10～25min，清洗后的晶片表面无粒径大于0.15μm 的颗粒，粒径0.1μm 的颗粒数量小于10 颗。
4. 根据权利要求1 所述的一种大尺寸超薄钽酸锂晶片键合方法，其特征在于，所述步骤c）中，等离子体为N2、H2、Ar、O2 的一种，表面活化时间为15～35s，活化功率为200～350W。
5. 根据权利要求1 所述的一种大尺寸超薄钽酸锂晶片键合方法，其特征在于，所述步骤d）中，使用碱性溶液和纯水冲洗步骤c）处理后的晶片，碱性溶液由氨水、双氧水和水组成，氨水、双氧水和水的体积比为1：1：10～20，碱性溶液冲洗后使用纯水冲洗，冲洗时间为15～60s，冲洗完成后，通入N2甩干晶片，甩干时间为20～50s。
6. 根据权利要求1-5任一所述的一种大尺寸超薄钽酸锂晶片键合方法，其特征在于，所述键合过程在1～100 级洁净室中进行。
7.根据权利要求1-5任一所述的一种大尺寸超薄钽酸锂晶片键合方法，其特征在于，所述与钽酸锂晶片键合的晶片材料为蓝宝石、硅、碳化硅、石英的一种，所述蓝宝石、硅、碳化硅、石英形状尺寸与钽酸锂晶片一致。
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