一種基於陣列式點壓的晶圓鍵合方法與流程

2023-05-05 05:46:26 5

本發明屬於半導體製造領域，尤其涉及一種基於陣列式點壓的晶圓鍵合方法。

背景技術：

晶圓鍵合技術作為半導體製造領域的一項日益重要的鍵合技術，受到了越來越廣泛的關注，其在半導體製造領域裡的應用非常廣泛，包括但不限於SOI、MEMS和三維器件製造等等。傳統晶圓鍵合技術種類很多，通常使用較多的技術包括：直接鍵合、陽極鍵合、熱壓鍵合、化學反應鍵合和高分子聚合物鍵合等等。這些鍵合技術各不相同，但都有各自的應用領域。

但是傳統鍵合技術對晶圓表面形貌要求較高，然而通常商業化生產的晶圓表面無法非常好的滿足傳統鍵合技術的要求。尤其是對於表面殘留顆粒，傳統鍵合技術下的鍵合片會形成大量的大小不一的氣泡或空洞。在光電子等領域，鍵合晶圓表面往往帶有各種圖形，在這種情況下傳統鍵合技術已經無法滿足鍵合要求。此外，在某些特殊情形下，需要對待鍵合晶圓進行特定區域下的鍵合，或者將鍵合區域形成特定的鍵合區域圖形，傳統鍵合方法依然無法滿足這種鍵合要求。再者，傳統鍵合技術所使用的設備價格昂貴，維護較困難，提出一種簡單易行，成本較低的鍵合方法具有更為現實的實際意義。

技術實現要素：

(一)要解決的技術問題

本發明提出一種基於陣列式點壓的晶圓鍵合方法，其主要目的在於針對傳統鍵合技術無法滿足的應用領域，提出一種點壓鍵合法，該方法針對晶圓表面殘留顆粒容忍度較高，能夠很好的適應於帶有圖形的晶圓鍵合從而應用於光電子等領域，同時還具有較高的鍵合區域可選性等特點。

(二)技術方案

為達到上述目的，本發明提供了一種基於陣列式點壓的新型晶圓鍵合方法，其特徵在於，包括：

S1：在待鍵合的兩個晶圓表面分別蒸發上一層金屬層，在室溫下將兩個晶圓表面對準後，按壓進行預鍵合；

S2：將已經完成預鍵合的待鍵合晶圓進行加熱；

S3：使用點壓設備在待鍵合晶圓的預設點上施加壓力；

S4：完成此次施壓後，移動點壓設備的施力部位或者移動待鍵合的晶圓，將本次鍵合區域更換到下一個預設點；

S5：重複步驟S3和S4，直至所有預設點都經過點壓鍵合。

上述方案中，所述的步驟S1中的使用的金屬層為Ti/Au，30nm的Ti和300nm的Au。

上述方案中，所述的步驟S1中的使用的金屬層通過金屬蒸發澱積在晶圓表面。

上述方案中，所述的步驟S1中的預鍵合包括對準和用手按壓，按壓區域應當選擇在晶圓中心區域。

上述方案中，所述的步驟S2中的加熱溫度選擇可以在200℃到400℃之間，通常可以設定為300℃。

上述方案中，所述的步驟S2中的將待鍵合晶圓進行加熱時，升溫速度應當保持在50℃/s以下。

上述方案中，所述的步驟S3中的預設鍵合點為在預鍵合後，按照點壓設備選擇的單次鍵合點大小，將待鍵合區域劃分成等大的若干陣列區域。

上述方案中，所述的步驟S3中的預鍵合區域上施加的壓強為20MPa到100MPa之間。

上述方案中，所述的步驟S3中的預鍵合區域上施加壓強的時間為1min到5min之間。

上述方案中，所述的步驟S4中更換到下一個預鍵合點時，在已劃分區域的整個晶圓上，按照逆時針從內圈到外圈的先後順序進行點鍵合。

(三)有益效果

從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果：

1.該方法針對晶圓表面殘留顆粒容忍度較高，通常的晶圓表面都不可能是完全理想狀態下的無汙染顆粒物，然而一個很小的殘留顆粒物在傳統鍵合方法下得到的鍵合片會形成相比殘留顆粒物尺寸大得多的氣泡或空洞，本發明中的點壓鍵合法能夠明顯改善這種情況。

2.在光電子等領域，很多情況下的晶圓鍵合都是帶有圖形的，傳統鍵合方法只能提供整個晶圓級的鍵合，這便會造成局部圖形區域壓強過大，導致晶圓碎裂，然而在非圖形區域由於壓強不夠又導致鍵合效果不理想，本方法中的點壓鍵合法能夠很好的適應於帶有圖形的晶圓鍵合。

3.在某些特定的領域，需要將鍵合區域形成某一特定的鍵合圖形，傳統鍵合方法無法滿足這種鍵合需求，本方法中的點壓鍵合法具有較高的鍵合區域可選性，從而可以將鍵合區域形成特定的圖形。

附圖說明

圖1為本發明所採用的晶圓表面金屬蒸發示意圖。

圖2為本發明所採用的普通晶圓表面鍵合示意圖，如圖中所示，兩個晶圓中間的一些突起即是普通晶圓表面的一些起伏形貌拓撲結構示意。

圖3為本發明的點壓鍵合法示意圖，即在一些預設的區域點的局部範圍內施加壓力。

圖4為本發明實施的預設點的示意圖。

圖5為針對晶圓表面兩個相鄰殘留顆粒物所形成的氣泡或空洞，利用本發明中的點壓鍵合法進行改善的示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施例，進一步闡述本發明，這些實施例僅用於說明本發明而不用於限制本發明的範圍，在閱讀了本發明之後，本領域的技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落於本申請所附權利要求所限定的範圍。

在詳述本發明實施例時，為便於說明，表示器件結構的剖面圖會不依一般比例作局部放大，而且所述示意圖只是示例，其在此不應限制本發明保護的範圍。此外，在實際製作中應包含長度、寬度及深度的三維空間尺寸。

另外需要指出的是，本發明中的點壓鍵合法並不限於使用熱壓鍵合下的點壓鍵合法，使用其他傳統鍵合方式進行的類似推廣應當同樣屬於本發明所限定的範圍。

該實施例包括以下步驟：

S1：在待鍵合的兩個晶圓表面分別金屬蒸發上一層金屬層，在室溫下將兩個晶圓表面對準後，用手按壓進行預鍵合。

如圖1所示，為本發明所採用的晶圓表面金屬蒸發示意圖，由於本發明採用的是基於傳統熱壓鍵合方式，因此需要在待鍵合的晶圓表面金屬蒸發上一層Ti/Au，經實驗驗證，使用本發明中的點壓鍵合方法進行鍵合，Au的厚度可以在200nm到1um之間浮動，而Ti層的厚度通常可以選擇在Au層厚度的十分之一。

S2：將已經完成預鍵合的待鍵合晶圓進行加熱，溫度按照熱壓鍵合方式進行選擇，通常可以設定為300℃。經實驗驗證，由於點壓鍵合法可以提供較大的壓強，因而鍵合溫度可以低至200℃。

圖3為本發明的點壓鍵合法示意圖，即在一些預設的區域點的局部範圍內施加壓力，和傳統鍵合方法的最大不同在於，傳統鍵合方法施加壓力的區域是整個待鍵合晶圓面，而本發明中的點壓鍵合法施加的都是局部區域的力，將平面各點同時鍵合改變為平面各點非同時異步鍵合。這裡使用的前提假定是待鍵合晶圓表面並不理想平整和潔淨。

S3：使用點壓設備在待鍵合晶圓的預設點上施加壓力，由於預鍵合晶圓上的預設受力面積通常較小，因而通過點壓設備施加壓力後，壓強在20MPa到100MPa之間，這個壓強比傳統鍵合方法所能得到的壓強一般來說都要大得多。

圖4為本發明實施的預設點的示意圖，預設點的作用主要是明確待鍵合的局部點，將待鍵合的區域按照設定的單次鍵合點的大小劃分為陣列，從而在後續的鍵合過程中指示鍵合區域，通常來說，預設點的鍵合順序為從中心往外擴散，逆時針或順時針依次相鄰鍵合。

S4：施加壓力維持在1min到5min，移動點壓設備的施力部位或者移動待鍵合片，將本次鍵合區域更換到下一個預設點。

S5：重複步驟S3和步驟S4，直至所有預設點都經過點壓鍵合。

該方法針對晶圓表面殘留顆粒容忍度較高，通常的晶圓表面都不可能是完全理想狀態下的無汙染顆粒物，然而一個很小的殘留顆粒物在傳統鍵合方法下得到的鍵合片會形成相比殘留顆粒物尺寸大得多的氣泡或空洞，如圖2所示，兩個晶圓中間的一些突起即是普通晶圓表面的一些起伏形貌拓撲結構示意，通常的晶圓表面都不可能是完全理想的表面狀態，其表面形貌包括晶圓表面本徵的起伏變化、無法避免的殘留顆粒和製造工藝需要的圖形等等。這些突起形貌在傳統鍵合過程中會造成大面積的未鍵合區域，因而傳統的鍵合方法已經無法滿足具有如此形貌表面的晶圓鍵合。本發明中的點壓鍵合法能夠明顯改善這種情況。

如圖5所示，圖5為針對晶圓表面兩個相鄰晶圓表面突起所形成的氣泡或空洞，利用本發明中的點壓鍵合法進行改善的示意圖。在傳統鍵合法下，針對兩個相鄰突起，在鍵合機施加壓力後，兩相鄰突起附近將承載大部分壓力，很容易造成局部壓強過大，從而晶圓形變過大，導致晶圓片碎裂的情形，如果採用本發明中的點壓鍵合法，則可以在造成氣泡或者空洞的區域施加局部壓力，從而使得該區域鍵合。

以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。