CN1949454A - 利用温度改变不同热膨胀系数材料的晶片键合的方法 - Google Patents

利用温度改变不同热膨胀系数材料的晶片键合的方法 Download PDF

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Abstract

一种利用温度改变不同热膨胀系数材料的晶片键合的方法，其特征在于，包括如下步骤：a)将晶片进行清洗与表面处理；b)将清洗及表面处理后的晶片固定在带有附加加热装置的键合夹具中，放入密闭石英腔体中抽真空；c)把装有键合夹具及晶片的石英腔体放入液相外延炉中加热进行键合。通过夹具上或者下半部分的单独的加热来实现不同晶片的温度差，以改变热膨胀系数不同对晶片键合的影响。

Description

利用温度改变不同热膨胀系数材料的晶片键合的方法
技术领域
本发明半导体技术领域，特别是指一种利用温度改变不同热膨胀系数材料的晶片键合的方法，该方法适用于实现III-V族材料以及Si-III-V族这样不同材料之间的键合。
背景技术
两个表面平整洁净的晶片在一定的条件下可以通过表面的化学键相互结合起来，而不受两种晶片材料的晶格、晶向的限制，这就是晶片键合技术。利用键合技术组合新结构材料有极大的自由度，所以被广泛地应用于微电子电路、传感器、功率器件、微机械加工、光电子器件、绝缘性硅晶片(SOI)等领域。晶片键合技术已经成为一种可以用来制作很多重要光电子器件的技术。但是在进行不同材料的晶片键合的时候，由于材料的热膨胀系数不同，因此如果加热温度一样的话，热膨胀引起的晶格失配会对键合的晶片质量有影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种实现变温晶片键合的方法，键合夹具两边具有分别加热的装置，可以使晶片对实现不同的温度加热，从而减小热膨胀系数不同对晶片键合的影响。
本发明是一种利用温度改变不同热膨胀系数材料的晶片键合的方法，其特征在于，包括如下步骤：
a)将晶片进行表面处理；
b)将表面处理后的晶片固定在带有附加加热装置的键合夹具中，放入密闭石英腔体中抽真空；
c)把装有键合夹具及晶片的石英腔体放入液相外延炉中加热进行键合。
其中表面处理包括：湿化学清洗或干法表面处理。
其中石英腔体放入液相外延炉中加热的温度为450-550℃。
其中密闭石英腔体中抽真空的真空度至10-5Pa。
本发明的键合夹具带有一个附加的加热装置，可以使上下晶片对实现不同的温度加热，从而减小热膨胀系数不同对晶片键合的影响。在晶片键合过程中，键合界面的质量直接影响着集成器件的性能，儿键合界面质量又是由压力、温度、气体氛围所决定的。对于热失配较大的异质材料在预键合之后在高温退火处理过程中，材料间不同的热膨胀系数回产生很大的热应力，从而在键合界面产生缺陷和位错，甚至会直接影响到能否键合成功。因此使用附加的加热装置来减小由于热膨胀系数不同对实现高质量的晶片键合具有十分重要的意义。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实例及附图，详细说明如下，其中：
图1是本发明利用液相外延炉实现键合的设备连接图；
图2是进行晶片固定及加压的键合夹具示意图；
图3是GaAs-GaAs键合晶片对红外透射图像；
图4是InP-InP键合晶片对红外透射图像；
图5是InP-Si键合晶片对红外透射图像。
具体实施方式
本发明利用密封石英玻璃管提供局域高真空实现晶片键合的设备连接方式如图1所示：
将经过清洗的晶片通过去离子水和超声波多次清除。将清洗处理好的样片通过一定压力紧贴在一起，然后在真空或者氮气、氢气的保护下加热，通过控制附加的加热装置来实现上下晶片的温度差异。本发明是一利用密封石英玻璃管提供局域高真空实现晶片键合的方法，包括如下步骤：
a)晶片的清洗与表面处理；
b)将所需晶片固定在带有附加加热装置的键合夹具中，放入密闭石英腔体中抽真空至10-5Pa，
c)把装有键合夹具及晶片的石英腔体放入加热至所需温度的液相外延炉进行键合。晶片键合的样品处理前期准备工作包括：清洗一去除有机玷污；溶解氧化层；去除颗粒金属玷污同时使晶片的表面钝化。所用的标准湿化学处理的配方有以下几种：
硫酸H2SO4∶H2O2(2∶1 to 4∶1)T＝120-140℃，t＝10min，用来去除有机物玷污；或者H2SO4∶H2O＝4∶1 T＝120-140℃，t＝10min，用来去除有机物玷污；
RCA1溶液(有时也称为SC1或者SE1)NH4OH∶H2O2∶H2O(1∶1∶5)，T＝50-80℃，t＝10min，用来去除有机玷污和杂质颗粒；
RCA2溶液(有时也称为SC2或者SE2)NH4OH∶H2O2∶H2O(1∶1∶6)，T＝50-80℃，t＝10min，用来去除无机的离子玷污；
稀释的HF浸蘸，约为1％-5％，用来去除氧化物；
稀释的硫化物溶液(例如硫脲溶液、二硫化硒/四氯化碳混和液)，用来进行晶片表面改性；或者通过等离子体对晶片表面进行轰击，实现晶片表面的活化。
将经过如上清洗的晶片通过去离子水和超声波多次清除，在同时用兆声波和循环的去离子水作用时，晶片本身自转以甩去带有杂质颗粒的去离子水；此外，还可以通过等离子体对晶片表面进行轰击，实现晶片表面的活化。
如图2所示的带有附加加热装置的键合夹具21，是不锈钢夹具，为一带有固定螺栓22的上下盖板23组成，盖板中带有提供附加加热功能的加热钼片24，下盖板的底面有一排平行的定位槽25，对将要进行键合的晶片对26的位置进行定位之后，通过盒体两侧的四个固定螺栓进行固定及加压以及调平，通过加热钼片进行加热，通过控制上下钼片的加热电流实现上下晶片对的温度差，从而在整体腔室加热的大环境中，实现对上下晶片对的变温加热。
将清洗处理好的样片晶片组放入键合夹具21中，位于夹具上下盖板23之间，通过定位槽25进行晶片的粗定位，通过固定螺栓22实现晶片的加压固定，同过上加热钼片24实现附加的加热作用；然后放入清洗干净的高纯石英玻璃管11中(如图1所示)。放入高纯石英玻璃管11中后，将石英玻璃管11接在真空机组上抽真空至10-3l～0-5Pa，用氢氧焰将保持高真空的石英玻璃管11的敞口封住。然后，将装有键合夹具21和晶片键合对26的石英玻璃管11放入温度已稳定的液相外延炉的内腔12中加热所需时间进行键合。最后将石英玻璃管11取出，用玻璃刀切开石英玻璃管11，取出键合夹具21，将键合好的晶片16取出进行测试，用粘胶拉升法测试键合强度，用I-V测试法表征键合界面的状态。
本发明中，通过抽真空系统，简单的为晶片键合提供了一个高真空环境，通过使用键合夹具为晶片键合提供了所需的压力，通过附加的上加压加热板实现增压及变温加热作用；通过将装有键合晶片的键合夹具放入石英管中抽真空然后用氢氧焰封住的方法，为加压的键合晶片提供了键合所需的真空环境；
本发明是中一利用密封石英玻璃管提供局域高真空，通过附加的加热装置在液相外延炉整体加热的过程，实现变温晶片键合的方法，包括如下步骤：
a)对晶片进行清洗与表面处理；
b)将所需键合的晶片固定在键合夹具中，通过置于下盖板的定位槽实现晶片对的初对准；通过附加的加压加热装置来实现加压，以及上下晶片对的温度差；
c)把高纯石英玻璃管内腔抽真空，将保持高真空的石英玻璃管用氢氧焰密封好；
d)在液相外延炉体中键合夹具所处的位置，放入镍铬镍硅热电耦探头，对键合温度进行监测；
e)把装有键合夹具和晶片的石英玻璃管放入液相外延炉体中，加热，以使晶片键合，在整体加热的同时，利用附加的上加热板来改变上下晶片对的温度差别；
实验结果：图3/图4和图5分别为通过该方法实现键合的GaAs-GaAs晶片对，InP-InP晶片对和InP-Si晶片对的红外透射图像，结果表明该方法可以较好的实现晶片之间的键合，没有出现因为热失配过大造成的晶片的翘曲和无法键合的情况。

Claims (4)

1、一种利用温度改变不同热膨胀系数材料的晶片键合的方法，其特征在于，包括如下步骤：
a)将晶片进行表面处理；
b)将表面处理后的晶片固定在带有附加加热装置的键合夹具中，放入密闭石英腔体中抽真空；
c)把装有键合夹具及晶片的石英腔体放入液相外延炉中加热进行键合。
2、根据权利要求1所述的利用温度改变不同热膨胀系数材料的晶片键合的方法，其特征在于，其中表面处理包括：湿化学清洗或干法表面处理。
3、根据权利要求1所述的利用温度改变不同热膨胀系数材料的晶片键合的方法，其特征在于，其中石英腔体放入液相外延炉中加热的温度为450-550℃。
4、根据权利要求1所述的利用温度改变不同热膨胀系数材料的晶片键合的方法，其特征在于，其中密闭石英腔体中抽真空的真空度至10-5Pa。
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