一種利用半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行高低溫可控晶圓鍵合的方法技術(shù)

一種利用半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行高低溫可控晶圓鍵合的方法，步驟為：晶圓貼合在晶圓壓頭上→半導(dǎo)體制冷片的冷面與晶圓壓頭相貼合對晶圓降溫→壓頭壓力作用下進(jìn)行鍵合→半導(dǎo)體制冷片的熱面與晶圓壓頭相貼合對晶圓升溫→退火。本發(fā)明專利技術(shù)一方面通過半導(dǎo)體制冷片的冷面，對晶圓的鍵合過程實(shí)施干預(yù)，以熱傳導(dǎo)的方式降低晶圓的溫度，使晶圓表面附近的氣體液化，然后在一定外力和水分子雙重因素作用下，使原本空洞處的R-OH通過水分子的橋接作用連接起來，以達(dá)到減少甚至根除晶圓預(yù)鍵合空洞的形成；另一方面通過半導(dǎo)體制冷片的熱面，以熱傳導(dǎo)的方式升高已經(jīng)鍵合晶圓的溫度，使其在一定溫度下完成退火，以達(dá)到進(jìn)一步減少空洞的數(shù)量和增加晶圓鍵合界面強(qiáng)度的目的。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)屬于半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，涉及一種利用半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行高低溫可控晶圓鍵合的方法。
技術(shù)介紹
近年來制造業(yè)在追求器件高性能的同時(shí)，多功能電子/光學(xué)/生物醫(yī)療器件的集成也成為新型電子產(chǎn)品的關(guān)鍵推動(dòng)力之一。連接（又稱為“鍵合”）工藝是整合多元化復(fù)雜系統(tǒng)的不可替代的重要環(huán)節(jié)。隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)不斷推進(jìn)，制造業(yè)朝著大批量低成本的方向發(fā)展，由于大面積的晶圓直接鍵合能夠簡化器件制作流程，降低生產(chǎn)成本，日益被產(chǎn)業(yè)界所關(guān)注。傳統(tǒng)的晶圓鍵合技術(shù)是利用RCA等溶液對拋光潔凈的晶圓表面進(jìn)行清洗形成親水表面，而后在室溫下（～25℃）大氣環(huán)境中將具有親水表面的兩片晶圓接合到一起，該過程被稱為預(yù)鍵合。由于預(yù)鍵合后的晶圓片僅依靠兩晶圓表面吸附的水分子層之間的范德華力或氫鍵的作用，在室溫下鍵合強(qiáng)度很弱，鍵合后需要利用退火工藝將預(yù)鍵合后的晶圓片在100～800℃范圍內(nèi)加熱若干小時(shí)方能達(dá)到足夠的鍵合強(qiáng)度。至今為止所開發(fā)出的鍵合方法和鍵合設(shè)備主要著眼于對退火工藝的優(yōu)化（如加熱溫度，退火時(shí)間，加熱環(huán)境等）。而在退火工藝之前的預(yù)鍵合過程至關(guān)重要。由于晶圓本身具有一定的翹曲（～10微米），預(yù)鍵合過程中往往因?yàn)榫A表面水分子吸附不足，翹曲的晶圓表面之間間隙過大（超過范德華力或氫鍵的作用范圍），這造成了預(yù)鍵合后的晶圓存在大面積未鍵合區(qū)域和缺陷。而這些問題僅依靠后續(xù)的退火工藝較難改善。因此，如何克服上述晶圓低溫直接鍵合所出現(xiàn)的各種問題成為本領(lǐng)域技術(shù)人員致力于研究的方向。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
針對上述存在的問題，本專利技術(shù)提供了一種利用半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行高低溫可控晶圓鍵合的方法。本專利技術(shù)的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：一種利用半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行高低溫可控晶圓鍵合的方法，按照以下步驟實(shí)現(xiàn)晶圓的直接鍵合：晶圓貼合在晶圓壓頭上→半導(dǎo)體制冷片的冷面與晶圓壓頭相貼合對晶圓降溫→壓頭壓力作用下進(jìn)行鍵合→半導(dǎo)體制冷片的熱面與晶圓壓頭相貼合對晶圓升溫→對晶圓進(jìn)行退火，具體實(shí)施步驟如下：一、對第一晶圓和第二晶圓表面分別進(jìn)行清洗及活化處理；二、將清洗及活化處理過的第一晶圓和第二晶圓分別貼合在第一晶圓壓頭和第二晶圓壓頭上；三、通過半導(dǎo)體制冷片的冷面與晶圓壓頭貼合對第一晶圓和第二晶圓進(jìn)行降溫處理（從25℃降溫到-25℃）；四、在壓頭壓力（0~300kgf）作用下使第一晶圓和第二晶圓進(jìn)行鍵合；五、通過半導(dǎo)體制冷片的熱面與晶圓壓頭貼合對鍵合的晶圓在一定溫度下進(jìn)行退火處理（>100℃，1~48小時(shí)）。本專利技術(shù)中，所述第一晶圓和第二晶圓的尺寸任意。本專利技術(shù)中，所述第一晶圓和第二晶圓可以是相同尺寸，也可以是不同尺寸。本專利技術(shù)中，所述第一晶圓和第二晶圓可以是同種材料，也可以是異種材料。本專利技術(shù)中，所述第一晶圓壓頭和第二晶圓壓頭可以是任意形狀。本專利技術(shù)中，所述活化處理的方法包括：濕法活化處理、干法活化處理和等離子體法活化處理等。本專利技術(shù)中，通過半導(dǎo)體制冷片的冷面與晶圓壓頭貼合對第一晶圓和第二晶圓進(jìn)行降溫處理時(shí)，對晶圓實(shí)施降溫是通過半導(dǎo)體制冷片的冷面以熱傳導(dǎo)的方式對晶圓進(jìn)行降溫。本專利技術(shù)中，通過半導(dǎo)體制冷片的冷面與晶圓壓頭貼合對第一晶圓和第二晶圓進(jìn)行降溫處理時(shí)，第一晶圓和第二晶圓可以降低到相同溫度，也可以降低到不同溫度。本專利技術(shù)中，通過半導(dǎo)體制冷片的熱面與晶圓壓頭貼合對鍵合的晶圓在一定溫度下進(jìn)行退火處理時(shí)，對晶圓實(shí)施升溫是通過半導(dǎo)體制冷片的熱面以熱傳導(dǎo)的方式對晶圓進(jìn)行升溫。本專利技術(shù)中，通過半導(dǎo)體制冷片的熱面與晶圓壓頭貼合對鍵合的晶圓在一定溫度下進(jìn)行退火處理時(shí)，第一晶圓和第二晶圓可以升高到相同溫度，也可以升高到不同溫度。本專利技術(shù)中，鍵合過程中晶圓的溫度可降低至環(huán)境溫度-50℃的范圍。本專利技術(shù)中，鍵合后的加熱溫度可以達(dá)到環(huán)境溫度+80℃的范圍。本專利技術(shù)中，鍵合過程中可以對晶圓表面附近的氣體的局部濕度進(jìn)行調(diào)控，局部相對濕度可以控制在40～100%（水蒸氣露點(diǎn)）范圍內(nèi)。本專利技術(shù)一方面通過半導(dǎo)體制冷片的冷面，對晶圓的鍵合過程實(shí)施干預(yù)，以熱傳導(dǎo)的方式降低晶圓的溫度，使晶圓表面附近的氣體液化，從而提高晶圓所處氛圍的局部濕度，然后在一定外力和所增加的水分子雙重因素作用下，使原本空洞處的R-OH通過水分子的橋接作用連接起來，以達(dá)到減少甚至根除晶圓預(yù)鍵合空洞的形成；另一方面通過半導(dǎo)體制冷片的熱面，以熱傳導(dǎo)的方式升高已經(jīng)鍵合晶圓的溫度，使其在一定溫度下完成退火，以達(dá)到進(jìn)一步減少空洞的數(shù)量和增加晶圓鍵合界面強(qiáng)度的目的。附圖說明圖1為壓頭側(cè)面剖視圖；圖2為Si晶圓與壓頭的貼合；圖3為半導(dǎo)體制冷片的冷面與晶圓壓頭貼合；圖4為Si晶圓進(jìn)行預(yù)鍵合；圖5為半導(dǎo)體制冷片的熱面與晶圓壓頭貼合；圖中：1-晶圓壓頭；2-半導(dǎo)體制冷片；3-半導(dǎo)體制冷片固定架；4-升降螺桿；5-導(dǎo)熱硅脂；6-半導(dǎo)體制冷片的制熱面；7-半導(dǎo)體制冷片的制冷面；8-真空吸桿；9-Si晶圓。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖對本專利技術(shù)的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明，但并不局限于此，凡是對本專利技術(shù)技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本專利技術(shù)技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本專利技術(shù)的保護(hù)范圍中。本專利技術(shù)提供了一種利用半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行高低溫可控晶圓鍵合的方法，具體實(shí)施步驟如下：（1）取材：準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)所需要的第一晶圓、第二晶圓、第一晶圓壓頭、第二晶圓壓頭、半導(dǎo)體制冷片、導(dǎo)熱硅脂及與活化處理相關(guān)的實(shí)驗(yàn)用品等。（2）涂覆導(dǎo)熱硅脂：向半導(dǎo)體制冷片的上下表面均勻的涂覆導(dǎo)熱硅脂，便于半導(dǎo)體制冷片對晶圓壓頭傳遞熱量和吸收熱量。（3）裝夾半導(dǎo)體制冷片：如圖1所示，晶圓壓頭裝置主要由晶圓壓頭1、半導(dǎo)體制冷片固定架3、升降桿4和真空吸桿8四部分組成，其中，半導(dǎo)體制冷片固定架3位于晶圓壓頭1的中空位置，升降桿4在豎直方向被固定在晶圓壓頭1上僅可以做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。半導(dǎo)體制冷片固定架3和升降桿4以螺紋關(guān)系配合在一起，形成螺旋副。真空吸桿8的中軸線與晶圓壓頭1的中軸線相重合，并與晶圓壓頭1前端形成螺紋密封連接。當(dāng)升降桿4轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，會(huì)使二者產(chǎn)生相對運(yùn)動(dòng)，由于升降桿4在豎直方向被固定，所以會(huì)使半導(dǎo)體制冷片固定架3上下移動(dòng)。在真空吸桿8產(chǎn)生吸力的作用下，晶圓會(huì)被吸附在晶圓壓頭1上。將半導(dǎo)體制冷片2固定在晶圓壓頭裝置里面的半導(dǎo)體制冷片固定架3上，當(dāng)半導(dǎo)體制冷片2在通入12V左右直流電時(shí)，會(huì)在其上下表面分別產(chǎn)生制冷面6和制熱面7。根據(jù)需要，啟動(dòng)升降桿4帶動(dòng)半導(dǎo)體制冷片固定架3向上或者向下移動(dòng)，并在移動(dòng)的終止點(diǎn)與晶圓壓頭1通過導(dǎo)本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種利用半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行高低溫可控晶圓鍵合的方法，其特征在于所述方法步驟如下：一、對第一晶圓和第二晶圓表面分別進(jìn)行清洗及活化處理；二、將清洗及活化處理過的第一晶圓和第二晶圓分別貼合在第一晶圓壓頭和第二晶圓壓頭上；三、通過半導(dǎo)體制冷片的冷面與晶圓壓頭貼合對第一晶圓和第二晶圓進(jìn)行降溫處理；四、在壓頭壓力作用下使第一晶圓和第二晶圓進(jìn)行鍵合；五、通過半導(dǎo)體制冷片的熱面與晶圓壓頭貼合對鍵合的晶圓在一定溫度下進(jìn)行退火處理。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種利用半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行高低溫可控晶圓鍵合的方法，其特征在于所述方法步驟
如下：
一、對第一晶圓和第二晶圓表面分別進(jìn)行清洗及活化處理；
二、將清洗及活化處理過的第一晶圓和第二晶圓分別貼合在第一晶圓壓頭和第二晶圓
壓頭上；
三、通過半導(dǎo)體制冷片的冷面與晶圓壓頭貼合對第一晶圓和第二晶圓進(jìn)行降溫處理；
四、在壓頭壓力作用下使第一晶圓和第二晶圓進(jìn)行鍵合；
五、通過半導(dǎo)體制冷片的熱面與晶圓壓頭貼合對鍵合的晶圓在一定溫度下進(jìn)行退火處
理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行高低溫可控晶圓鍵合的方法，其特征
在于所述降溫處理過程中，溫度從25℃降溫到-25℃。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用半導(dǎo)體制冷片進(jìn)行高低溫可控晶圓鍵合的方法...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王晨曦，許繼開，田艷紅，劉寶磊，
申請(專利權(quán))人：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：黑龍江;23