CN202434479U

CN202434479U - 一种原位等离子体清洗和键合晶片的设备

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Publication number: CN202434479U
Application number: CN2012200059891U
Authority: CN
Inventors: 代盼; 李鹏; 黄寓洋; 何巍; 季莲; 陆书龙; 董建荣; 杨辉
Original assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Current assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority date: 2012-01-09
Filing date: 2012-01-09
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2022-01-09

Abstract

本实用新型涉及一种晶片清洗、键合技术，尤其是指一种能高效率完成清洗和键合操作的原位等离子体清洗和键合晶片的设备。这种设备包括真空键合装置（110），还包括等离子体清洗装置，所述等离子体清洗装置与真空键合装置（110）连通。本实用新型的有益效果在于：将等离子体清洗和晶片键合过程并入到同一腔室中实施，同时实现有效、高质量的晶片清洗、去氧化层和键合。使用该技术进行基片键合，可以解决现有基片键合的污染问题，能够实现高性能的键合性能。

Description

一种原位等离子体清洗和键合晶片的设备

技术领域

本实用新型涉及一种晶片清洗、键合技术，尤其是指一种能高效率完成清洗和键合操作的原位等离子体清洗和键合晶片的设备。

背景技术

键合技术在半导体研究、制造和应用领域应用十分广泛，主要应用方向包括太阳能电池、LED、激光器、调制器等器件。现有的键合技术，均是将两个待键合晶片表面清洗后，将键合表面贴合在一起，然后施加一定的压力和热，使两个基片表面产生进行一定扩散，从而将两个基片连接在一起。这样的方法，由于清洗和键合过程是分离的，在常规清洗完毕以后，片子要取出再进行键合。在这个过程中，不可避免地带来再次污染。更为严重的是，某些基片清洗的目的是为了去除表面的氧化层，从而保证键合界面的良好电学性能。然而由于清洗和去除氧化层后片子暴露在大气中，表面会很快再次氧化，达不到清洗和去氧化层的效果，造成键合质量下降。为此，发明一种能够有效清洗、去除氧化层，并且实现基片键合的方案具有重要意义。

实用新型内容

本实用新型提供一种可以解决现有基片键合的污染问题，能够实现原位等离子体清洗和键合晶片的设备。

这种原位等离子体清洗与键合晶片的设备，包括真空键合装置，还包括等离子体清洗装置，所述等离子体清洗装置与真空键合装置连通。这种设备可以使等离子体清洗和键合过程可以在同一装置中进行，减少晶片被污染的机会。

其中，所述等离子体清洗装置包括进气系统和设于真空键合装置中的激发电极。

所述进气系统包括通过进气管路依次连通的储气瓶、质量流量计和电磁阀门，以控制反应气体流量。以上装置可以保证反应气体能精确地送进真空室中，电极激发为等离子体后，对晶片进行等离子体清洗。

这套设备的真空键合装置，其中包括反应腔室和固定于反应腔室中的支撑部，以及

连接于所述反应腔室及支撑部之间的加压系统，所述加压系统一端设有半球头，通过所述的半球头对所述支撑部均匀施压，另一端设有与反应腔室外连通的气缸，所述半球头和气缸通过波纹管连接。支撑台在加压系统作用下工作。

其中，支撑部包括：

上部样品台，所述上部样品台下方开有上样品槽，并在所述上样品槽外缘设有夹持机构；所述上部样品台通过松紧螺栓与所述加压装置连接；

下部样品台，所述下部样品台上方开有下样品槽，并在所述下部样品台上设有与夹持机构对应的凹槽；所述下部样品台外缘设有竖直向上的导轨，通过导轨导向与所述上部样品台对应。

这种设计既可以方便样品台的更换，还可以确保压合时两样品台能准确对位，是样品台上的晶片能高效键合。

上部样品台装设有夹持机构，所述的夹持机构包括若干组对应配合的压紧结构，每组压紧结构至少包括一顶珠、压紧力调节螺栓及设于所述顶珠和压紧力调节螺栓之间的弹簧。这种结构可以通过调节压紧力调节螺栓对弹簧的压紧程度，来达到弹簧对顶珠控制，通过与样品直接接触的顶珠，对应配合固定样品。

当加压系统作用于支撑台时，所述的半球头转动并作用在上部样品台的表面中部，保证作用力能均匀施加。

这种设备还包括与所述真空键合装置连接的真空获得装置及温控装置；真空获得装置负责将反映腔室内的气体抽净并在工作时维持适当的真空度。

温控装置包括加热管和传感器，所述加热管设于所述反应腔室底部，所述传感器与所述支撑部连接。温控装置的设置可以较好地控制反应腔室在合适的键合温度。

所述真空键合装置还包括电源装置，所述电源装置与激发电极连接。

本实用新型的有益效果在于：将等离子体清洗和晶片键合过程并入到同一腔室中实施，同时实现有效、高质量的晶片清洗、去氧化层和键合。使用该技术进行基片键合，可以解决现有基片键合的污染问题，能够实现高性能的键合性能。

附图说明

图1(a)为本实施例的设备结构示意图。

图1(b)为图1中A部分的局部放大图。

图1(c)为本实施例下部样品台局部放大图。

具体实施方式

下面将结合附图对本实施例作详细说明。

如图1(a)所示，本实施例提供一种原位等离子体清洗和键合设备，包括等离子体清洗装置、真空键合装置110、电源装置130、真空获得装置140、温控装置150。其中，

等离子体清洗装置包括：进气系统121和激发电极122。进气系统121中又设有钢气瓶123、电磁阀门124、质量流量计125和进气管路，工作时可以精确控制反应气体的进气流量，并维持工作期间所需要的真空度。高频电极122为电极对，其中一电极接在上部工作台17a，用于发射射频高压，另一电极接在下部工作台17b下方，用于接地。在上、下部工作台（17a、17b）之间形成了高压场区，激发等离子体。

电源装置130主要为设备的运作提供电源支持，其中与等离子体清洗装置中的激发电极122连接，为激发电极122提供高频信号和能量，以激发反应腔室111内的反应气体电离形成所需要的等离子体。

真空获得装置140包括真空测量系统141、真空阀门142、真空泵143以及真空管路组成，负责将反应腔室111内的空气抽净并在工作时维持适当的真空度，并检测背底真空度和工作真空度的数值。

温控装置150包括加热管151、传感器152和温控器153，可以按照最优的工艺参数和控制设备的加热过程，并维持工艺参数的稳定。

真空键合装置110分别与等离子体清洗装置、电源装置130、真空获得装置140和温控装置150相连，在各个装置相互配合下工作。真空键合装置110包括反应腔室111、支撑部170和加压系统180。

支撑部170装设于反应腔室111内，由支撑架171固定于反应腔室111底部。由于支撑架111底部有空腔，温控装置的加热管151可以设于该空腔内，便于对反应腔室111进行加热。整个支撑部170分为上部样品台17a和下部样品台17b，下部样品台17b通过外缘竖直向上的导轨172导向与上部样品台17a对应。其中，下部样品台17b通过螺丝173固定于支撑架171顶部。上部样品台17a通过松紧螺栓174与加压系统180连接。上部样品台17a的下方和下部样品台17b的上方，分别对应开设有上样品槽a1和下样品槽a2，见图1(b)，用于放置反应晶片P。

为了更好地固定晶片P，在上部样品台17a的上样品槽a1口外缘设有夹持机构。结合图1(b)和图1(c)所示，夹持机构由若干组压紧结构191组成，本实施例中采用四个（图1(b)未示出），对称分设于上部样品台17a的上样品槽a1四周。每组压紧结构191包括顶珠192、弹簧193和压紧力调节螺栓194，通过旋动压紧力调节螺栓194控制弹簧193的形变状况，来达到对顶珠192的压紧程度，从而控制对晶片P的固定。对应于夹持机构，在下部样品台17b的下样品槽a2开设有四个凹槽a3（见图1(c)），可以在晶片P压合时给夹持机构腾出空间，保证两晶片P的高效贴合。

为了实现键合工序，还需要加压系统180的配合。本实施中的加压系统180一端设有半球头181，通过所述的半球头181对所述支撑部170的上部样品台17a均匀施压；另一端设有气缸182，所述气缸182伸出反应腔室111外；所述半球头181和气缸182通过波纹管183连接。本实施例中上部样品台17a通过波纹管183与加压系统180连接，在加压系统180的作用下逐渐下移，直至与下部样品台17b压合。

下面将对该设备工作流程作进一步说明。

首先，对晶片P进行预清洗和去氧化层。以硅片为例，先使用化学试剂如丙酮、异丙醇或盐酸等对晶片P进行预清洗，初步去除氧化层。清洗并烘干后备用。

接着，装片。打开真空键合装置110的反应腔室111，分别将预处理完毕的晶片P卡装到上部样品台17a和下部样品台17b中的上样品槽a1和下样品槽a2中。样品槽a1/a2可以根据不同的晶片P大小、厚薄设计，及时更换，便于晶片P的装设定位。其中，装设在上样品槽a1的晶片P还通过夹持机构固定，过程是：调节四个压紧结构191，旋进压紧力调节螺栓194，使弹簧193增强形变，压迫顶珠192使顶珠192向上样品槽a1内突出，卡在晶片P的表面，顶住晶片P以防止滑落。下样品槽a2的晶片P固定好后，通过调节下部样品台17a边缘的螺丝173来调整下部样品台17b的位置，以达到上下晶片P的准确对位。

第三步，进行等离子体清洗。装设好晶片P后，关闭反应腔室111。打开电源装置130，使设备的各个装置均处于工作状态。开启真空获得装置140，抽真空，通过真空测量系统141控制适当的真空度。然后打开等离子体清洗装置中的进气系统121，使反应气体进入反应腔室111中，通过控制电磁阀门124和质量流量计125，调整适当的气体流速，直到稳定在清洗期间需要的真空度范围。本实施例中所采用的反应气体，可以是Ar、N₂、He、O₂、Cl₂、F₂等任一种气体，根据不同的晶片P还可以选择其他的反应气体。此时，电源装置130向激发电极122提供高频信号，使反应气体在激发电极122作用下电离为等离子体，这些等离子体轰击晶片P表面，使晶片P表面的氧化物或其他杂质解析为气体而从晶片P上去除，达到清洗晶片P键合表面的目的。清洗过程的时间、电源功率、气体浓度等参数均可以根据具体反应而调整。

第四步，键合。等离子体清洗步骤完毕后，晶片P不需要从反应腔室111中取出，而是直接进入键合阶段。即，清洗过程完成后，关闭等离子体清洗装置，继续保持真空获得装置140打开，使反应腔室111获得键合所需的真空度，也可以通入N₂或其他保护气体，形成键合所需的背景环境。然后，打开温控装置150，加热管151开始工作，通过传感器152将反应腔室111内的温度情况反映到温控器153中，调整温控器153以获得键合所需的温度范围。稳定好键合反应的压力、温度后，开启加压系统180，通过气缸182加压到半球头181，带动上部样品台17a逐渐下移。下移过程中，由于上部样品台17a与下部样品台17b通过边缘竖直设置的导轨172对应配置，确保下压时，能在导轨172的导向下保证上部样品台17a与下部样品台17a准确对位。

下压到下部样品台17b上的晶片P与上部样品台17a的夹持机构接触，此时，由于半球头181继续施压，使下晶片P相对向上“挤”进上部样品台17a的上样品槽a1中。夹持机构中的压紧结构191受到下晶片P的挤压，其中的顶珠192向弹簧193方向“退缩”，腾出空间下晶片P上移，最终使上下晶片P接合。与此同时，由于下部样品台17b在晶片P周围，对应上部样品台17a夹持机构的位置设有凹槽a3，以便压合时为夹持机构腾出足够的空间，保证上下晶片P能高效贴合。

此时两晶片P接触，控制合适的键合温度、压力、保护气体流量等参数，开始键合工序。同时半球头181继续对上部样品台17a施压。这种半球头181下压时能均匀转动作用在上部样品台17a表面中部，使施加的压力均匀分布在上部样品台17a上，能在晶片P键合时均匀用力。上部样品台17a与波纹管183通过松紧螺栓174连接，能在导轨172限定的范围内上下摆动，贴合晶片P时上部样品台17a能随着键合表面的形状作出一定角度倾斜或倾侧，配合键合表面更好贴合，此时半球头181再准对最佳的贴合角度加压，达到最佳的键合效果。这种键合设计，不同于现有的单一垂直方向加压键合技术，能使上部样品台17a能根据键合表面的形状作出一定角度的倾斜或倾侧，即使是一些非水平面的键合表面晶片P也可以很好地键合。压合经过一段时间后的加热反应，便可以获得高效键合后的产品。

这种设计使等离子体清洗和键合过程在同一腔室中连续地实施，避免晶片在清洗后再次氧化、或者沾染其他污染物，从而造成键合质量下降。本实用新型实现了有效清洁、去除氧化，达到高效键合晶片的效果，具有广泛的应用价值。

Claims

1.一种原位等离子体清洗与键合晶片的设备，包括真空键合装置（110），其特征在于，还包括等离子体清洗装置，所述等离子体清洗装置与真空键合装置（110）连通。

2.根据权利要求1所述的原位等离子体清洗与键合晶片设备，其特征在于，所述等离子体清洗装置包括进气系统（121）和设于真空键合装置（110）中激发电极（122）。

3.根据权利要求2所述的原位等离子体清洗与键合晶片设备，其特征在于，所述进气系统（121）包括通过进气管路依次连通的储气瓶（123）、电磁阀门（124）和质量流量计（125），用于控制反应气体流量。

4.根据权利要求1所述的原位等离子体清洗与键合晶片设备，其特征在于，所述真空键合装置（110）包括反应腔室（111）和固定于反应腔室（111）中的支撑部（170），以及

连接于所述反应腔室（111）及支撑部（170）之间的加压系统（180），所述加压系统（180）一端设有半球头（181），通过所述的半球头（181）对所述支撑部（170）均匀施压，另一端设有与反应腔室（111）外连通的气缸（182），所述半球头（181）和气缸（182）通过波纹管（183）连接。

5.根据权利要求4所述的原位等离子体清洗与键合晶片设备，其特征在于，所述的支撑部（170）包括：

上部样品台（17a），所述上部样品台（17a）下方开有上样品槽（a1），并在所述上样品槽（a1）口外缘设有夹持机构；所述上部样品台（17a）通过松紧螺栓（174）与所述加压系统（180）连接；

下部样品台（17b），所述下部样品台（17b）上方开有下样品槽（a2），并在所述下部样品台（17b）上设有与夹持机构对应的凹槽（a3）；所述下部样品台（17b）外缘设有竖直向上的导轨（172），通过导轨（172）导向与所述上部样品台（17a）对应。

6.根据权利要求5所述的原位等离子体清洗与键合晶片设备，其特征在于，所述的夹持机构包括若干组对应配合的压紧结构（191），每组压紧结构（191）至少包括一顶珠（192）、压紧力调节螺栓（194）及设于所述顶珠（192）和压紧力调节螺栓（194）之间的弹簧（193）。

7.根据权利要求4-6任一项所述的原位等离子体清洗与键合晶片设备，其特征在于，所述的半球头（181）转动作用在上部样品台（17a）的表面中部。

8.根据权利要求4所述的原位等离子体清洗与键合晶片设备，其特征在于，还包括与所述真空键合装置（110）连接的真空获得装置（140）及温控装置（150）。

9.根据权利要求8所述的原位等离子体清洗与键合晶片设备，其特征在于，所述温控装置（150）包括加热管（151）和传感器（152），所述加热管（151）设于所述反应腔室（111）底部，所述传感器（152）与所述支撑部（170）连接。

10.根据权利要求1或2所述的原位等离子体清洗与键合晶片设备，其特征在于，还包括电源装置（130），所述电源装置（130）与激发电极（122）连接。