CN1521807A

CN1521807A - 硅与硅真空键合装置及键合方法

Info

Publication number: CN1521807A
Application number: CNA031040160A
Authority: CN
Inventors: 冯勇建; 吴青海
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2003-02-11
Filing date: 2003-02-11
Publication date: 2004-08-18
Anticipated expiration: 2023-02-11
Also published as: CN1252799C

Abstract

涉及一种利用密封真空腔体和加力键合的硅与硅真空键合装置及键合方法。设有上盖、底座和密封圈，密封圈设于上盖与底座之间，在上盖和底座中设管道，在上盖或底座中由真空腔内至外部设真空腔管道。键合方法为在键合装置的密封真空键合腔体中灌入氧气或氮气，在腔体内形成正压，将硅片清洗，甩干后放入键合装置的上盖的下方和底座的上方，打开阀门，抽真空。可实用于硅与硅、硅与玻璃、硅与硅重掺杂P+面、硅与碳化硅、硅与砷化镓材料的预键合。预键合强度极强，广泛应用在SOI硅片的生产，微机电器件中硅面与硅面、硅面与氧化层面、硅面与P+掺杂面、硅面与碳化硅面、硅与玻璃材料键合的工艺。制作成本低，键合成功率高，容易成批量生产。

Description

硅与硅真空键合装置及键合方法

(1)技术领域

本发明涉及一种半导体器件或其部件的制造或处理，尤其是一种利用密封真空腔体和加力键合的硅与硅真空键合装置及键合方法。

(2)背景技术

由于硅材料具有很好的力学性能，随着半导体工艺的成熟，就有了用硅材料制作传感器和执行器的手段，键合工艺则是制作传感器和执行器的重要手段之一，尤其是用这种方法可制作成本低、键合成功率可达95％以上的高质量的绝缘体硅片(silicon on insulator，简称SOI硅片)。

硅与硅的键合属于晶体键的结合，由于晶体表面不可能达到分子尺度的平整度，因而键合面不可能完全重合，这就要求键合工艺必须由预键合和高温键合两部分组成，其中，预键合又分常温键合与低温键合两部分。常温预键合的质量是键合成功的关键。

CN92107813.7号专利提供一种用于硅片之间实现直接化学键合的硅片直接键合方法，它将经过镜面抛光的硅片直接进行清洗甩干，再在室温下实现镜面紧密接触，使两硅片重合在一起，然后快速投入高温炉中进行热处理，恒温处理后再缓慢降温即可实现硅片的直接键合。

(3)发明内容

本发明旨在提供一种既可保证在键合面上不会有太多的水份--键合面滑动，也可以保证挂在硅片表面的水份不会被吸干--解除键合，键合成功率较高，主要用于常温预键合的硅与硅真空加力键合装置及键合方法。

本发明将需进行常温预键合的硅片放在真空腔中，并在硅片上施加均匀的力，利用密封真空腔体和加力键合可以有效地解决键合中的一系列问题。

本发明所说的硅与硅真空加力键合装置设有上盖、底座和真空密封圈。真空密封圈设于上盖与底座之间。在上盖中由下表面至上盖外设管道，在底座中由上表面至底座外设管道，上述管道用于吸住并固定需要键合的硅片。上盖和底座最好为透光材料制成。在上盖或底座中由真空腔内至外部设真空腔管道。在上盖上方可设摄像装置和显示装置，在底座的下方设照明装置。照明装置可为红外灯。本发明所说的硅与硅真空加力键合方法为：

1、首先，在硅与硅真空加力键合装置的密封真空键合腔体中灌入氧气或氮气，在密封真空键合腔体内形成正压，确保密封真空键合腔体内的洁净度。

2、先分别将被键合的硅片用甲苯，丙酮和乙醇溶液清洗。

3、在稀释的氢氟酸溶液中去除其表面的氧化层活化表面，再用去离子水冲洗。

4、然后用1号清洗液清洗，所说的1号清洗液的组份为去离子水、双氧水与氢氧化铵，再用2号清洗液清洗，所说的2号清洗液的组份为去离子水、双氧水与盐酸。

5、清洗后的硅片甩干。

6、关闭密封真空键合腔中的纯净气体，将甩干后的被键合的硅片分别放入键合装置的上盖的下方和底座的上方，并由上盖管道和底座管道中的真空吸住。

7、打开真空腔管道的真空阀门，使密封真空键合腔内抽真空，由于上盖的上方受大气压力的作用加之真空密封圈是可变形的，这使被键合的硅片随真空度的提高产生接触压力。压力的大小正比与真空密封圈尺寸的大小、反比与被键合硅片尺寸的大小，作用在键合硅片上的力应满足：

F＝(A₁-A₂)×(P₁-P₂)-F₁ (1)

式中：F-作用在键合硅片上的力；

A₁-密封圈内面积；

A₂-键合硅片的面积；

P₁-大气压力10⁵Pa；

P₂-真空键合腔中的压力1Pa；

F₁-作用在密封圈上的力。

由于密封真空键合腔中的压力P₂与作用在真空密封圈上的力F₁相比与其它的压力和力通常比较小，所以可以忽略。此时公式(1)可简化为

F＝(A₁-A₂)×P₁ (2)

从公式(2)可以看出，作用在键合硅片上的力主要是来自于大气的压力，这个压力通过光滑平整的上盖和底座作用在硅片的键合面上。显然，这个力是一个加载柔和均匀的力。

经过常温预键合的硅片再进行低温键合和高温键合。

本发明可以实用于硅与硅、硅与玻璃、硅与硅重掺杂P+面、硅与碳化硅、硅与砷化镓材料的预键合。本真空加力键合工艺有许多优点，最为突出的优点是由于这种真空加力键合工艺具有极强的预键合强度，因而可以广泛应用在SOI硅片的生产，微机电(MEMS)器件中硅面与硅面、硅面与氧化层面、硅面与P+掺杂面、硅面与碳化硅面、硅与玻璃材料键合的工艺。这种键合工艺制作成本低，键合成功率高，工艺过程容易成批量生产。

(4)附图说明

图1为硅与硅真空加力键合装置的结构示意图。

图2为本发明的键合工作原理图。

(5)具体实施方式

实施例1：

如图1所示，设有透光的上盖1、透光的底座2和真空密封圈3。上盖1与底座2之间形成密封真空键合腔4，管道5和管道6用来吸住并固定需要键合的硅片A和硅片B，真空腔管道7用于在密封真空键合腔中抽真空，真空密封圈3用于键合过程的真空密封，红外灯8、摄像机9、显示器10用于键合过程的监测，湿度计11用于监测密封真空键合腔中的湿度。

常温预键合过程如下：首先将需要键合的硅片A放在透明上盖1的下表面并由管道5中的真空吸住、将硅片B放在透明底座2的上表面并由管道6中的真空吸住，这时，硅片A与硅片B没有接触。通过红外灯8、摄像机9、显示器10可以看到硅片A和硅片B键合面上的图形并可进行图形对准。对准后，真空腔管道7开始抽真空，真空密封圈3压缩，此时硅片A的下表面和硅片B的上表面开始接触键合，其工作原理及过程见图2，随着密封真空键合腔4中真空度的提高，键合面上受到的均匀压力增加，这促使键合面充分接触。键合面上的水分通过湿度计检测，键合过程通过摄像机监测。常温预键合后的硅片取出后，需在低温(摄氏100度到400度)键合，然后再在高温(摄氏800度到1200度)键合。

实施例2：

参见图1，2，硅与硅真空加力键合工艺过程如下：

1、首先，在真空腔管道7中通入少量纯净氧气或氮气，使密封真空键合腔4内形成正压，确保键合腔内的洁净度。

2、分别将要被键合的硅片A和硅片B的键合面用干净的干绸布沿同一方向擦，将键合面粘着的粉尘颗粒去除。

3、分别将被键合的硅片A和硅片B用甲苯、丙酮和乙醇溶液加超声搅拌各清洗5分钟去除表面油脂污染。

4、在稀释的氢氟酸溶液(可采用49％的氢氟酸∶去离子水＝1∶10)中10秒钟去除其表面的氧化层活化表面，再用去离子水冲洗，使去离子水的电阻率在11至12MΩ之间。

5、然后用1号清洗液清洗，所说的1号清洗液的组份为去离子水、双氧水与氢氧化铵，其含量为去离子水∶氢氧化铵∶双氧水＝5∶1∶2；将配好的1号清洗液加温到70℃后，放入要清洗的硅片5分钟，再用去离子水冲洗到11至12MΩ之间。再用2号清洗液清洗，所说的2号清洗液的组份为去离子水、双氧水与盐酸，其含量为去离子水∶双氧水∶盐酸＝5∶1∶2，盐酸的浓度为27％，双氧水的浓度为30％，氢氧化铵的浓度为27％。将配好的2号清洗液加温到70℃±5℃后，放入要清洗的硅片5分钟，再用去离子水冲洗使去离子水的电阻率在11至15MΩ之间。

6、清洗后的硅片放入硅片甩干机甩干。

7、关闭密封真空键合腔中的纯净气体，将甩干后被键合的硅片放在透明上盖1的下表面并由管道5中的真空吸住，将硅片B放在透明底座2的上表面并由管道6中的真空吸住。此时，硅片A和硅片B没有接触，如图1所示。

8、通过红外灯8、摄像机9、显示器10可以将硅片A和硅片B键合面上的图形进行对准。

9、通过真空腔管道7对真空腔4抽真空，硅片A和硅片B的键合面接触如图2所示，最终真空腔内将产生一个约1Pa的真空，抽真空过程约需要20分钟，具体根据湿度计监测的情况确定。

10、关闭真空腔管道7中的真空，在管道5和管道6中同入少量的氮气，将已键合的硅片从真空键合腔4中取出。

11、常温键合的硅片从加力键合装置上拿下来，首先在氧化扩散炉中低温(摄氏100度到200度)键合，时间为10分钟，然后迅速放在高温环境下(摄氏800度到1000度键合)键合，时间大于1小时。

实施例3：

参见图1，2，硅与硅真空加力键合工艺过程如下：

首先，在真空腔管道7中通入少量纯净氧气或氮气，使密封真空键合腔4内形成正压，确保键合腔内的洁净度。分别将要被键合的硅片A和硅片B的键合面用干净的干绸布沿同一方向擦，将键合面粘着的粉尘颗粒去除。分别将被键合的硅片A和硅片B用甲苯、丙酮和乙醇溶液加超声搅拌各清洗10分钟去除表面油脂污染。在稀释的氢氟酸溶液(可采用49％的氢氟酸∶去离子水＝1∶5)中5秒钟去除其表面的氧化层活化表面，再用去离子水冲洗，使去离子水的电阻率在16至18MΩ之间。然后用1号清洗液清洗，所说的1号清洗液的组份为去离子水、双氧水与氢氧化铵，其含量为去离子水∶氢氧化铵∶双氧水＝5∶1∶1；将配好的1号清洗液加温到65℃后，放入要清洗的硅片10分钟，再用去离子水冲洗到13至15MΩ之间。再用2号清洗液清洗，所说的2号清洗液的组份为去离子水、双氧水与盐酸，其含量为去离子水∶双氧水∶盐酸＝5∶1∶1.5，盐酸的浓度为27％，双氧水的浓度为30％，氢氧化铵的浓度为27％。将配好的2号清洗液加温到75℃后，放入要清洗的硅片5分钟，再用去离子水冲洗使去离子水的电阻率在13至15MΩ之间。清洗后的硅片放入硅片甩干机甩干。关闭密封真空键合腔中的纯净气体，将甩干后被键合的硅片放在透明上盖1的下表面并由管道5中的真空吸住，将硅片B放在透明底座2的上表面并由管道6中的真空吸住。此时，硅片A和硅片B没有接触，如图1所示。通过红外灯8、摄像机9、显示器10可以将硅片A和硅片B键合面上的图形进行对准。通过真空腔管道7对真空腔4抽真空，硅片A和硅片B的键合面接触如图2所示，最终真空腔内将产生一个0.8Pa的真空，抽真空过程约需要10分钟，具体根据湿度计监测的情况确定。关闭真空腔管道7中的真空，在管道5和管道6中同入少量的氮气，将已键合的硅片从真空键合腔4中取出。常温键合的硅片从加力键合装置上拿下来，首先在氧化扩散炉中低温(摄氏300度到400度)键合，时间为10分钟，然后迅速放在高温环境下(摄氏900度到1100度键合)键合，时间大于80分钟。

实施例4：

参见图1，2，首先，在真空腔管道7中通入少量纯净氧气或氮气，使密封真空键合腔4内形成正压，确保键合腔内的洁净度。分别将要被键合的硅片A和硅片B的键合面用干净的干绸布沿同一方向擦，将键合面粘着的粉尘颗粒去除。分别将被键合的硅片A和硅片B用甲苯、丙酮和乙醇溶液加超声搅拌各清洗10分钟去除表面油脂污染。在稀释的氢氟酸溶液(可采用49％的氢氟酸∶去离子水＝1∶20)中15秒钟去除其表面的氧化层活化表面，再用去离子水冲洗，使去离子水的电阻率在13至15MΩ之间。然后用1号清洗液清洗，所说的1号清洗液的组份为去离子水、双氧水与氢氧化铵，其含量为去离子水∶氢氧化铵∶双氧水＝5∶1∶1.5；将配好的1号清洗液加温到75℃后，放入要清洗的硅片4分钟，再用去离子水冲洗到17至18MΩ之间。再用2号清洗液清洗，所说的2号清洗液的组份为去离子水、双氧水与盐酸，其含量为去离子水∶双氧水∶盐酸＝5∶1∶1，盐酸的浓度为27％，双氧水的浓度为30％，氢氧化铵的浓度为27％。将配好的2号清洗液加温到65℃后，放入要清洗的硅片8分钟，再用去离子水冲洗使去离子水的电阻率在17至18MΩ之间。清洗后的硅片放入硅片甩干机甩干。关闭密封真空键合腔中的纯净气体，将甩干后被键合的硅片放在透明上盖1的下表面并由管道5中的真空吸住，将硅片B放在透明底座2的上表面并由管道6中的真空吸住。此时，硅片A和硅片B没有接触，如图1所示。通过红外灯8、摄像机9、显示器10可以将硅片A和硅片B键合面上的图形进行对准。通过真空腔管道7对真空腔4抽真空，硅片A和硅片B的键合面接触如图2所示，最终真空腔内将产生一个1.2Pa的真空，抽真空过程约需要40分钟，具体根据湿度计监测的情况确定。关闭真空腔管道7中的真空，在管道5和管道6中同入少量的氮气，将已键合的硅片从真空键合腔4中取出。常温键合的硅片从加力键合装置上拿下来，首先在氧化扩散炉中低温(摄氏200度到300度)键合，时间为15分钟，然后迅速放在高温环境下(摄氏1000度到1200度键合)键合，时间大于50分钟。

Claims

1、硅与硅真空加力键合装置，其特征在于设有上盖、底座和真空密封圈；真空密封圈设于上盖与底座之间；在上盖中由下表面至上盖外设管道，在底座中由上表面至底座外设管道，在上盖或底座中由真空腔内至外部设真空腔管道。

2、如权利要求1所述的硅与硅真空加力键合装置，其特征在于在上盖上方设摄像装置和显示装置，在底座的下方设照明装置。

3、如权利要求1所述的硅与硅真空加力键合装置，其特征在于照明装置为红外灯。

4、如权利要求1所述的硅与硅真空加力键合装置，其特征在于上盖和底座为透光材料制成。

5、硅与硅真空加力键合方法，其特征在于其步骤为：

1)在硅与硅真空加力键合装置的密封真空键合腔体中灌入氧气或氮气，在密封真空键合腔体内形成正压，确保密封真空键合腔体内的洁净度；

2)分别将被键合的硅片用甲苯，丙酮和乙醇溶液清洗；

3)在稀释的氢氟酸溶液中去除其表面的氧化层活化表面，再用去离子水冲洗；

4)用1号清洗液清洗，所说的1号清洗液的组份为去离子水、双氧水与氢氧化铵，再用2号清洗液清洗，所说的2号清洗液的组份为去离子水、双氧水与盐酸；

5)清洗后的硅片甩干；

6)关闭密封真空键合腔中的纯净气体，将甩干后的被键合的硅片分别放入键合装置的上盖的下方和底座的上方，并由上盖管道和底座管道中的真空吸住；

7)打开真空腔管道的真空阀门，使密封真空键合腔内抽真空，作用在键合硅片上的力应满足：F＝(A₁-A₂)×(P₁-P₂)-F₁，即完成常温预键合；

所说的硅与硅真空加力键合装置设有上盖、底座和真空密封圈；真空密封圈设于上盖与底座之间；在上盖中由下表面至上盖外设管道，在底座中由上表面至底座外设管道，在上盖或底座中由真空腔内至外部设真空腔管道。

6、如权利要求5所述的硅与硅真空加力键合方法，其特征在于所说的经过常温预键合的硅片再进行低温键合和高温键合。

7、如权利要求5所述的硅与硅真空加力键合方法，其特征在于所说的氢氟酸溶液为49％的氢氟酸∶去离子水＝1∶(5～20)。

8、如权利要求5所述的硅与硅真空加力键合方法，其特征在于所说的1号清洗液其含量为去离子水∶氢氧化铵∶双氧水＝5∶1∶(1～2)。

9、如权利要求5所述的硅与硅真空加力键合方法，其特征在于所说的1号清洗液其含量为去离子水∶双氧水∶盐酸＝5∶1∶(1～2)。