一種利用水蒸氣輔助及紫外光活化的被鍵合物鍵合裝置及方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種利用水蒸氣輔助及紫外光活化的被鍵合物鍵合裝置及方法，所述鍵合裝置由壓力施加裝置、靜電發(fā)生器、活化氣體供給系統(tǒng)，真空抽氣系統(tǒng)、升降溫控制平臺及紫外光光源構(gòu)成，所述鍵合方法為：將兩個(gè)被鍵合樣品分別吸附在上、下壓頭上→開啟真空泵對密閉箱體抽真空→向密閉箱體內(nèi)通入一定壓強(qiáng)的氧氣和水蒸汽(或氮?dú)夂退羝?的混合氣體→紫外光照射上、下被鍵合物表面一定時(shí)間→對上壓頭施加壓力進(jìn)行預(yù)鍵合→鍵合后的退火處理。本發(fā)明可以獲得缺陷少的鍵合界面，并改善鍵合強(qiáng)度和鍵合質(zhì)量，而且鍵合裝置成本相對低廉，操作簡單。
【專利說明】
一種利用水蒸氣輔助及紫外光活化的被鍵合物鍵合裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體制造技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種能同時(shí)去除被鍵合表面有機(jī)污染物和表面激活處理的水蒸氣輔助及紫外光活化鍵合裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鍵合是指在一定外部條件(如溫度、壓力、電壓等)的作用下，將兩個(gè)襯底材料(如硅片、硅片上鍍有金屬層或釬料合金層等)形成足夠近的接觸，最終接合為一體的技術(shù)。為保證鍵合界面具有良好的鍵合質(zhì)量，在鍵合之前往往需要對被鍵合物表面進(jìn)行清洗以除去表面所吸附的灰塵及有機(jī)污染物，如利用乙醇及丙酮等有機(jī)溶劑、RCA溶液(NH4OH: H2O2: H2O= 0.01 ?0.25:1:5)或Piranha溶液(H2O2:H2SO4= 1:3)等。
[0003]為了避免清洗后的表面再次受到周圍環(huán)境所帶來的污染(如灰塵顆粒)，鍵合一般需要在潔凈室(Clean room)的環(huán)境中進(jìn)行。但由于客觀條件所限，部分研究機(jī)構(gòu)或工廠不具備潔凈室的條件，很難保證被鍵合物表面不被再次污染，導(dǎo)致鍵合界面存在較多缺陷。另一方面，研究表明在鍵合之前利用等離子體對表面激活處理，能夠提高表面的親水性和羥基數(shù)量，對于獲得高質(zhì)量的鍵合具有重要的作用。但等離子體系統(tǒng)價(jià)格相對昂貴(特別針對大尺寸樣品的表面處理)，且往往與現(xiàn)有的鍵合裝置相互獨(dú)立。若將等離子體裝置和鍵合設(shè)備相整合，則極大地增加了鍵合設(shè)備的復(fù)雜性和困難度，因此能夠?qū)⒈砻媲逑醇盎罨玩I合過程相結(jié)合的簡單易行的裝置具有廣泛的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對上述存在的問題，本發(fā)明提供了一種能減少鍵合缺陷、提高鍵合質(zhì)量的利用水蒸氣輔助及紫外光活化的被鍵合物鍵合裝置及方法。
[0005]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0006]一種利用水蒸氣輔助及紫外光活化的被鍵合物鍵合裝置，包括壓力施加裝置、靜電發(fā)生器、活化氣體供給系統(tǒng)，真空抽氣系統(tǒng)、升降溫控制平臺及紫外光光照控制部分，其中:
[0007]所述真空抽氣系統(tǒng)由密閉箱體及真空栗組成，真空栗與密閉箱體連接；
[0008]所述壓力施加裝置由氣缸、上壓頭、下壓頭及下壓頭支柱組成，上壓頭、下壓頭及下壓頭支柱位于密封箱體內(nèi)部，氣缸固定連接在密閉箱體的上端，缸推桿與上壓頭相連，下壓頭、下壓頭支柱與密閉箱體三者兩兩順次固定連接；
[0009]所述靜電發(fā)生器與上壓頭相連；
[0010]所述活化氣體供給系統(tǒng)由氧氣或氮?dú)馄考八魵獍l(fā)生裝置組成，氧氣或氮?dú)馄亢退魵獍l(fā)生裝置分別與密閉箱體連接；
[0011]所述升降溫控制平臺由上、下壓頭內(nèi)的電阻絲、直流恒流電源及溫度控制器組成，直流恒流電源經(jīng)導(dǎo)線分別與電阻絲、溫度控制器連接，溫度控制器經(jīng)導(dǎo)線分別與電阻絲、下壓頭連接；
[0012]所述紫外光光照控制部分由推桿及紫外光發(fā)生裝置組成，紫外光發(fā)生裝置和推桿的一端相連且位于密閉箱體的內(nèi)部。
[0013]—種使用上述裝置對被鍵合物進(jìn)行鍵合的方法，按照以下步驟實(shí)現(xiàn)鍵合:將兩個(gè)被鍵合樣品分別吸附在上、下壓頭上—開啟真空栗對密閉箱體抽真空—向密閉箱體內(nèi)通入一定壓強(qiáng)的氧氣和水蒸汽(或氮?dú)夂退羝?的混合氣體—紫外光照射上、下被鍵合物表面一定時(shí)間—對上壓頭施加壓力進(jìn)行預(yù)鍵合—鍵合后的退火處理，具體實(shí)施步驟如下:
[0014]一、對第一被鍵合物和第二被鍵合物表面分別進(jìn)行清洗；
[0015]二、將清洗過的第一被鍵合物和第二被鍵合物分別貼合在密閉箱體內(nèi)的上壓頭和下壓頭上；
[0016]三、開啟真空栗對密閉箱體進(jìn)行抽真空，使箱體內(nèi)的壓強(qiáng)降至IkPa以下；
[0017]四、先后開啟氧氣或氮?dú)馄考八魵獍l(fā)生裝置，分別向密閉箱體中一定壓強(qiáng)的O2或他及水蒸氣，使箱體內(nèi)的壓強(qiáng)應(yīng)不高于2.3kPa;
[0018]五、開啟紫外光發(fā)生裝置，對第一被鍵合物和第二被鍵合物表面進(jìn)行紫外光光照10秒?30分鐘；
[0019]六、進(jìn)行預(yù)鍵合，對上壓頭施加O?300kgf的壓力，并保壓0.5?4h ；
[0020]七、啟動直流恒流電源，升高上、下壓頭溫度至100?300°C，在壓力小于2000kgf的條件下對被鍵合物進(jìn)行I?24h的退火處理。
[0021 ]本發(fā)明中，所述第一被鍵合物和第二被鍵合物各自尺寸任意。
[0022]本發(fā)明中，所述第一被鍵合物和第二被鍵合物可以是半導(dǎo)體材料(如:S1、Ge、GaAs晶圓片等)，也可以是金屬及其合金材料(如:Cu、Ag、Sn及其合金等)。
[0023]本發(fā)明中，所述第一被鍵合物和第二被鍵合物可以是同種材料，也可以是異種材料。
[0024]本發(fā)明中，所述進(jìn)行光照的紫外光發(fā)生裝置所發(fā)出的光的波長短于193nm，為172nm0
[0025]本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
[0026]1、本發(fā)明的鍵合裝置成本相對低廉，操作簡單。
[0027]2、如圖1所示，本發(fā)明利用波長小于193nm的紫外光同時(shí)照射上下兩被鍵合材料的表面，分解表面有機(jī)物，且在照射前在氣氛中導(dǎo)入水蒸汽使之與氧氣(O2)或氮?dú)?N2)相混合，在紫外光照射過程中能夠增加被鍵合材料表面羥基的數(shù)量，提高表面親水性，從而獲得缺陷少的鍵合界面，并改善鍵合強(qiáng)度和鍵合質(zhì)量。
【附圖說明】
[0028]圖1為紫外光照活化原理圖，①為待鍵合物原子，②為碳原子，③為氧原子，④為氫原子；
[0029]圖2為鍵合裝置整體示意圖，01為壓力表，02為溫濕檢測器，11為氣缸，12為上壓頭，13為下壓頭，14為下壓頭支柱，21為靜電發(fā)生器，31為第二電磁閥，32為O2或犯凈化器，33為氧氣或氮?dú)馄浚?4為第三電磁閥，35為水蒸氣凈化器，36為水蒸氣發(fā)生裝置，41為第一電磁閥，42為真空栗，43為密閉箱體，51為電阻絲，52為直流恒流電源，53為溫度控制器，54為溫度傳感器，61為推桿，62為紫外光發(fā)生裝置；
[0030]圖3?圖5為鍵合過程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0031]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明，但并不局限于此，凡是對本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍中。
[0032]如圖2所示，本發(fā)明提供的利用水蒸氣輔助及紫外光活化的被鍵合物鍵合裝置由壓力施加裝置、靜電發(fā)生器21、活化氣體供給系統(tǒng)，真空抽氣系統(tǒng)、升降溫控制平臺及紫外光光照控制部分構(gòu)成，其中:
[0033]所述真空抽氣系統(tǒng)由密閉箱體43、第一電磁閥41及真空栗42組成，真空栗42經(jīng)管線依次與第一電磁閥41、密閉箱體43連接；
[0034]所述壓力施加裝置由氣缸11、上壓頭12、下壓頭13及下壓頭支柱14組成，所述上壓頭12、下壓頭13及下壓頭支柱14位于密封箱體內(nèi)部，氣缸11固定連接在密閉箱體43的上端，缸推桿與上壓頭11相連，下壓頭13、下壓頭支柱14與密閉箱體43三者兩兩順次固定連接；
[0035]所述靜電發(fā)生器21與上壓頭相連，兩者組成靜電吸盤；
[0036]所述活化氣體供給系統(tǒng)由第二電磁閥31、02或犯凈化器32、氧氣或氮?dú)馄?3、第三電磁閥34、水蒸氣凈化器35及水蒸氣發(fā)生裝置36組成，氧氣或氮?dú)馄?3經(jīng)管線依次與O2或N2凈化器32、第二電磁閥31、密閉箱體43連接，水蒸氣發(fā)生裝置36經(jīng)管線依次與水蒸氣凈化器35、第三電磁閥34、密閉箱體43連接；
[0037]所述升降溫控制平臺由上、下壓頭內(nèi)的電阻絲51、直流恒流電源52、溫度控制器53及用于測定上下壓頭溫度的溫度傳感器54組成，直流恒流電源52經(jīng)導(dǎo)線分別與電阻絲51、溫度控制器53連接，溫度控制器53經(jīng)導(dǎo)線分別與熱電阻54、下壓頭13連接；
[0038]所述紫外光光照控制部分由推桿61及紫外光發(fā)生裝置62組成，紫外光發(fā)生裝置62和推桿61的一端相連且位于密閉箱體43的內(nèi)部，用于對上下壓頭上的鍵合物表面同時(shí)進(jìn)行紫外光光照。
[0039]下面結(jié)合上述裝置給出能有效提高被鍵合物鍵合的方法，具體實(shí)施步驟如下:
[0040](I)清洗及活化被鍵合物:
[0041]取兩片被鍵合物(可以是同種材料，也可以是異種材料)，對其進(jìn)行常規(guī)的清洗及表面活化處理。
[0042](2)吸附被鍵合物:
[0043]如圖3所示，開啟靜電發(fā)生器21，使上壓頭12表面產(chǎn)生足量的靜電對被鍵合物進(jìn)行吸附，并保證上被鍵合物不會脫落(不同的被鍵合物材料，不同的被鍵合物尺寸，所需要的靜電量不同)，然后將另一片被鍵合物固定于下壓頭13上，并盡量使兩片被鍵合物同軸心。
[0044](3)抽真空:
[0045]先開啟真空栗42，然后再開啟第一電磁閥41，對密閉箱體進(jìn)行抽真空，使密閉箱體內(nèi)的壓強(qiáng)將至IkPa以下。
[0046](4)通入O2或N2及水蒸氣:
[0047]先開啟氧氣或氮?dú)馄?3，讓氣體經(jīng)過02或他凈化器32，保證通入的氣體干燥、潔凈，然后再打開第二電磁閥31，使O2或犯達(dá)到一定的壓強(qiáng)(O2或他的壓強(qiáng)的大小由所需的被鍵合物片表面濕度決定)；關(guān)閉電磁閥31，打開水蒸氣發(fā)生裝置36，讓氣體經(jīng)過水蒸氣凈化器35，保證通入的水蒸氣干燥、潔凈，然后在打開第三電磁閥34，通入一定量的水蒸氣，為了避免水蒸汽在25°C時(shí)液化，密閉箱體內(nèi)的氣體壓強(qiáng)應(yīng)不超過3.2kPa(水在25°C的飽和蒸汽壓)。
[0048](5)紫外光光照活化:
[0049]如圖4所示，通過推桿61推動紫外光燈管62向中間移動，并開啟相關(guān)電源，啟動紫外光燈管62，從而對上下被鍵合物進(jìn)行進(jìn)一步的清洗及改質(zhì)，使得被鍵合物表面更加地親水。
[°°50] (6)進(jìn)行預(yù)鍵合:
[0051]如圖5所示，進(jìn)行預(yù)鍵合，上壓頭12在氣缸11的作用下向下移動，使兩個(gè)被鍵合物片貼合并對兩個(gè)被鍵合物片施加一定的壓力(10kgf)，保壓的時(shí)間約為4h。
[0052](7)退火處理:
[0053]預(yù)鍵合完成后，啟動直流恒流電源52，并在溫度控制器53上設(shè)置退火溫度(2500C )，并在500kgf壓力的作用下，恒溫處理一定時(shí)間(1h)，然后取出被鍵合物，即完成被鍵合物的鍵合。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種利用水蒸氣輔助及紫外光活化的被鍵合物鍵合裝置，其特征在于所述鍵合裝置由壓力施加裝置、靜電發(fā)生器、活化氣體供給系統(tǒng)，真空抽氣系統(tǒng)、升降溫控制平臺及紫外光光源構(gòu)成，其中: 所述真空抽氣系統(tǒng)由密閉箱體及真空栗組成，真空栗與密閉箱體連接； 所述壓力施加裝置由氣缸、上壓頭、下壓頭及下壓頭支柱組成，上壓頭、下壓頭及下壓頭支柱位于密封箱體內(nèi)部，氣缸固定連接在密閉箱體的上端，缸推桿與上壓頭相連，下壓頭、下壓頭支柱與密閉箱體三者兩兩順次固定連接； 所述靜電發(fā)生器與上壓頭相連； 所述活化氣體供給系統(tǒng)由氧氣或氮?dú)馄考八魵獍l(fā)生裝置組成，氧氣或氮?dú)馄亢退魵獍l(fā)生裝置分別與密閉箱體連接； 所述升降溫控制平臺由上、下壓頭內(nèi)的電阻絲、直流恒流電源、及溫度控制器組成，直流恒流電源經(jīng)導(dǎo)線分別與電阻絲、溫度控制器連接，溫度控制器經(jīng)導(dǎo)線分別與電阻絲、下壓頭連接； 所述紫外光光照控制部分由推桿及紫外光發(fā)生裝置組成，紫外光發(fā)生裝置和推桿的一端相連且位于密閉箱體的內(nèi)部。2.—種利用水蒸氣輔助及紫外光活化的被鍵合物鍵合方法，其特征在于所述方法步驟如下: 一、對第一被鍵合物和第二被鍵合物表面分別進(jìn)行清洗； 二、將清洗過的第一被鍵合物和第二被鍵合物分別貼合在密閉箱體內(nèi)的上壓頭和下壓頭上； 三、開啟真空栗對密閉箱體進(jìn)行抽真空，使箱體內(nèi)的壓強(qiáng)降至IkPa以下； 四、先后開啟氧氣或氮?dú)馄考八魵獍l(fā)生裝置，分別向密閉箱體中一定壓強(qiáng)的O2或N2及水蒸氣，使箱體內(nèi)的壓強(qiáng)應(yīng)不高于2.3kPa; 五、開啟紫外光發(fā)生裝置，對第一被鍵合物和第二被鍵合物表面進(jìn)行紫外光光照10秒?30分鐘； 六、進(jìn)行預(yù)鍵合，對上壓頭施加O?300kgf的壓力，并保壓0.5?4h； 七、啟動直流恒流電源，升高上、下壓頭溫度至100?300°C，在壓力小于2000kgf的條件下對被鍵合物進(jìn)行I?24h的退火處理。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述利用水蒸氣輔助及紫外光活化的被鍵合物鍵合方法，其特征在于所述第一被鍵合物和第二被鍵合物各自尺寸任意。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述利用水蒸氣輔助及紫外光活化的被鍵合物鍵合方法，其特征在于所述第一被鍵合物和第二被鍵合物可以是同種材料，也可以是異種材料。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述利用水蒸氣輔助及紫外光活化的被鍵合物鍵合方法，其特征在于所述第一被鍵合物是半導(dǎo)體材料、金屬或金屬合金材料。6.根據(jù)權(quán)利要求2所述利用水蒸氣輔助及紫外光活化的被鍵合物鍵合方法，其特征在于所述第二被鍵合物是半導(dǎo)體材料、金屬或金屬合金材料。7.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述利用水蒸氣輔助及紫外光活化的被鍵合物鍵合方法，其特征在于所述半導(dǎo)體材料為S1、Ge或GaAs晶圓片。8.根據(jù)權(quán)利要求5或6所述利用水蒸氣輔助及紫外光活化的被鍵合物鍵合方法，其特征在于所述金屬為Cu、Ag或Sn。9.根據(jù)權(quán)利要求2所述利用水蒸氣輔助及紫外光活化的被鍵合物鍵合方法，其特征在于所述紫外光發(fā)生裝置所發(fā)出的光的波長短于193nm。10.根據(jù)權(quán)利要求2或9所述利用水蒸氣輔助及紫外光活化的被鍵合物鍵合方法，其特征在于所述紫外光發(fā)生裝置所發(fā)出的光的波長為172nm。
【文檔編號】B32B37/06GK105904824SQ201610255681
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年4月22日
【發(fā)明人】王晨曦, 許繼開, 田艷紅, 黃圓, 石成杰
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)