一种利用水蒸气辅助及紫外光活化的被键合物键合装置及方法

摘要

本发明公开了一种利用水蒸气辅助及紫外光活化的被键合物键合装置及方法，所述键合装置由压力施加装置、静电发生器、活化气体供给系统，真空抽气系统、升降温控制平台及紫外光光源构成，所述键合方法为：将两个被键合样品分别吸附在上、下压头上→开启真空泵对密闭箱体抽真空→向密闭箱体内通入一定压强的氧气和水蒸汽(或氮气和水蒸汽)的混合气体→紫外光照射上、下被键合物表面一定时间→对上压头施加压力进行预键合→键合后的退火处理。本发明可以获得缺陷少的键合界面，并改善键合强度和键合质量，而且键合装置成本相对低廉，操作简单。

说明书

技术领域

本发明属于半导体制造技术领域，涉及一种能同时去除被键合表面有机污染物和表面激活处理的水蒸气辅助及紫外光活化键合装置及方法。

背景技术

键合是指在一定外部条件(如温度、压力、电压等)的作用下，将两个衬底材料(如硅片、硅片上镀有金属层或钎料合金层等)形成足够近的接触，最终接合为一体的技术。为保证键合界面具有良好的键合质量，在键合之前往往需要对被键合物表面进行清洗以除去表面所吸附的灰尘及有机污染物，如利用乙醇及丙酮等有机溶剂、RCA溶液(NH₄OH∶H₂O₂∶H₂O＝0.01～0.25∶1∶5)或Piranha溶液(H₂O₂∶H₂SO₄＝1∶3)等。

为了避免清洗后的表面再次受到周围环境所带来的污染(如灰尘颗粒)，键合一般需要在洁净室(Clean room)的环境中进行。但由于客观条件所限，部分研究机构或工厂不具备洁净室的条件，很难保证被键合物表面不被再次污染，导致键合界面存在较多缺陷。另一方面，研究表明在键合之前利用等离子体对表面激活处理，能够提高表面的亲水性和羟基数量，对于获得高质量的键合具有重要的作用。但等离子体系统价格相对昂贵(特别针对大尺寸样品的表面处理)，且往往与现有的键合装置相互独立。若将等离子体装置和键合设备相整合，则极大地增加了键合设备的复杂性和困难度，因此能够将表面清洗及活化和键合过程相结合的简单易行的装置具有广泛的需求。

发明内容

针对上述存在的问题，本发明提供了一种能减少键合缺陷、提高键合质量的利用水蒸气辅助及紫外光活化的被键合物键合装置及方 法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种利用水蒸气辅助及紫外光活化的被键合物键合装置，包括压力施加装置、静电发生器、活化气体供给系统，真空抽气系统、升降温控制平台及紫外光光照控制部分，其中：

所述真空抽气系统由密闭箱体及真空泵组成，真空泵与密闭箱体连接；

所述压力施加装置由气缸、上压头、下压头及下压头支柱组成，上压头、下压头及下压头支柱位于密封箱体内部，气缸固定连接在密闭箱体的上端，缸推杆与上压头相连，下压头、下压头支柱与密闭箱体三者两两顺次固定连接；

所述静电发生器与上压头相连；

所述活化气体供给系统由氧气或氮气瓶及水蒸气发生装置组成，氧气或氮气瓶和水蒸气发生装置分别与密闭箱体连接；

所述升降温控制平台由上、下压头内的电阻丝、直流恒流电源及温度控制器组成，直流恒流电源经导线分别与电阻丝、温度控制器连接，温度控制器经导线分别与电阻丝、下压头连接；

所述紫外光光照控制部分由推杆及紫外光发生装置组成，紫外光发生装置和推杆的一端相连且位于密闭箱体的内部。

一种使用上述装置对被键合物进行键合的方法，按照以下步骤实现键合：将两个被键合样品分别吸附在上、下压头上→开启真空泵对密闭箱体抽真空→向密闭箱体内通入一定压强的氧气和水蒸汽(或氮气和水蒸汽)的混合气体→紫外光照射上、下被键合物表面一定时间→对上压头施加压力进行预键合→键合后的退火处理，具体实施步骤如下：

一、对第一被键合物和第二被键合物表面分别进行清洗；

二、将清洗过的第一被键合物和第二被键合物分别贴合在密闭箱体内的上压头和下压头上；

三、开启真空泵对密闭箱体进行抽真空，使箱体内的压强降至 1kPa以下；

四、先后开启氧气或氮气瓶及水蒸气发生装置，分别向密闭箱体中一定压强的O₂或N₂及水蒸气，使箱体内的压强应不高于2.3kPa；

五、开启紫外光发生装置，对第一被键合物和第二被键合物表面进行紫外光光照10秒～30分钟；

六、进行预键合，对上压头施加0～300kgf的压力，并保压0.5～4h；

七、启动直流恒流电源，升高上、下压头温度至100～300℃，在压力小于2000kgf的条件下对被键合物进行1～24h的退火处理。

本发明中，所述第一被键合物和第二被键合物各自尺寸任意。

本发明中，所述第一被键合物和第二被键合物可以是半导体材料(如：Si、Ge、GaAs晶圆片等)，也可以是金属及其合金材料(如：Cu、Ag、Sn及其合金等)。

本发明中，所述第一被键合物和第二被键合物可以是同种材料，也可以是异种材料。

本发明中，所述进行光照的紫外光发生装置所发出的光的波长短于193nm，为172nm。

本发明具有如下优点：

1、本发明的键合装置成本相对低廉，操作简单。

2、如图1所示，本发明利用波长小于193nm的紫外光同时照射上下两被键合材料的表面，分解表面有机物，且在照射前在气氛中导入水蒸汽使之与氧气(O₂)或氮气(N₂)相混合，在紫外光照射过程中能够增加被键合材料表面羟基的数量，提高表面亲水性，从而获得缺陷少的键合界面，并改善键合强度和键合质量。

附图说明

图1为紫外光照活化原理图，①为待键合物原子，②为碳原子，③为氧原子，④为氢原子；

图2为键合装置整体示意图，01为压力表，02为温湿检测器，11为气缸，12为上压头，13为下压头，14为下压头支柱，21为静电发生器，31为第二电磁阀，32为O₂或N₂净化器，33为氧气或氮气 瓶，34为第三电磁阀，35为水蒸气净化器，36为水蒸气发生装置，41为第一电磁阀，42为真空泵，43为密闭箱体，51为电阻丝，52为直流恒流电源，53为温度控制器，54为温度传感器，61为推杆，62为紫外光发生装置；

图3～图5为键合过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

如图2所示，本发明提供的利用水蒸气辅助及紫外光活化的被键合物键合装置由压力施加装置、静电发生器21、活化气体供给系统，真空抽气系统、升降温控制平台及紫外光光照控制部分构成，其中：

所述真空抽气系统由密闭箱体43、第一电磁阀41及真空泵42组成，真空泵42经管线依次与第一电磁阀41、密闭箱体43连接；

所述压力施加装置由气缸11、上压头12、下压头13及下压头支柱14组成，所述上压头12、下压头13及下压头支柱14位于密封箱体内部，气缸11固定连接在密闭箱体43的上端，缸推杆与上压头11相连，下压头13、下压头支柱14与密闭箱体43三者两两顺次固定连接；

所述静电发生器21与上压头相连，两者组成静电吸盘；

所述活化气体供给系统由第二电磁阀31、O₂或N₂净化器32、氧气或氮气瓶33、第三电磁阀34、水蒸气净化器35及水蒸气发生装置36组成，氧气或氮气瓶33经管线依次与O₂或N₂净化器32、第二电磁阀31、密闭箱体43连接，水蒸气发生装置36经管线依次与水蒸气净化器35、第三电磁阀34、密闭箱体43连接；

所述升降温控制平台由上、下压头内的电阻丝51、直流恒流电源52、温度控制器53及用于测定上下压头温度的温度传感器54组成，直流恒流电源52经导线分别与电阻丝51、温度控制器53连接，温度 控制器53经导线分别与热电阻54、下压头13连接；

所述紫外光光照控制部分由推杆61及紫外光发生装置62组成，紫外光发生装置62和推杆61的一端相连且位于密闭箱体43的内部，用于对上下压头上的键合物表面同时进行紫外光光照。

下面结合上述装置给出能有效提高被键合物键合的方法，具体实施步骤如下：

(1)清洗及活化被键合物：

取两片被键合物(可以是同种材料，也可以是异种材料)，对其进行常规的清洗及表面活化处理。

(2)吸附被键合物：

如图3所示，开启静电发生器21，使上压头12表面产生足量的静电对被键合物进行吸附，并保证上被键合物不会脱落(不同的被键合物材料，不同的被键合物尺寸，所需要的静电量不同)，然后将另一片被键合物固定于下压头13上，并尽量使两片被键合物同轴心。

(3)抽真空：

先开启真空泵42，然后再开启第一电磁阀41，对密闭箱体进行抽真空，使密闭箱体内的压强将至1kPa以下。

(4)通入O₂或N₂及水蒸气：

先开启氧气或氮气瓶33，让气体经过O₂或N₂净化器32，保证通入的气体干燥、洁净，然后再打开第二电磁阀31，使O₂或N₂达到一定的压强(O₂或N₂的压强的大小由所需的被键合物片表面湿度决定)；关闭电磁阀31，打开水蒸气发生装置36，让气体经过水蒸气净化器35，保证通入的水蒸气干燥、洁净，然后在打开第三电磁阀34，通入一定量的水蒸气，为了避免水蒸汽在25℃时液化，密闭箱体内的气体压强应不超过3.2kPa(水在25℃的饱和蒸汽压)。

(5)紫外光光照活化：

如图4所示，通过推杆61推动紫外光灯管62向中间移动，并开启相关电源，启动紫外光灯管62，从而对上下被键合物进行进一步的清洗及改质，使得被键合物表面更加地亲水。

(6)进行预键合：

如图5所示，进行预键合，上压头12在气缸11的作用下向下移动，使两个被键合物片贴合并对两个被键合物片施加一定的压力(100kgf)，保压的时间约为4h。

(7)退火处理：

预键合完成后，启动直流恒流电源52，并在温度控制器53上设置退火温度(250℃)，并在500kgf压力的作用下，恒温处理一定时间(10h)，然后取出被键合物，即完成被键合物的键合。