CN113380639B - 一种原子级离子清洁活化低温键合装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种原子级离子清洁活化低温键合装置及方法，通过在键合真空腔内设置射频电极和气源，采用移动承载台，在移动承载台上设置有键合承载台，键合承载台上设置有两个对称设置的样品承载台，样品承载台与键合承载台通过移动转台连接，移动转台能够在键合承载台上滑动，样品承载台与移动转台转动连接，样品承载台上端用于固定预键合晶圆，键合真空腔能够在键合真空腔和退火真空腔之间移动，形成相对固定的能够在独立空间内进行低温处理和退火处理的空间，能够实现在低温环境下进行，退火真空腔内的退火加热装置气体沉积原子层来避免不易键合界面的晶格失配，最后经过热退火处理装置对晶圆进行热退火，从而获得高质量的键合界面和键合强度。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，真空设备，特别涉及一种原子级离子清洁活化低温键合装置及方法。
背景技术
在表面活化键合的实验中，晶圆表面经过离子活化会产生悬挂键，但由于重构与吸附的存在，其表面一般会发生表面重构与吸附，导致其表面悬挂键被饱和或扭曲，无法实现晶圆键合的原子级键合连接。传统的键合装置往往采用中间层键合或高温热压键合，在对传热、导电或其他有特殊要求的键合中，中间层会造成附加热阻、附加电阻或其他阻碍性能参数的产生。其中高温热压键合是在真空或气氛条件下利用热压界面热扩散达到键合的目标，同样会形成中间键合层，且会产生热应力和界面热阻来影响键合件的物理性能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种原子级离子清洁活化低温键合装置及方法，以克服现有技术的不足。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种原子级离子清洁活化低温键合装置，包括键合真空腔、退火真空腔和键合承载装置，键合真空腔内设有射频电极和气源，键合承载装置包括移动承载台，移动承载台上设置有键合承载台，键合承载台上设置有两个对称设置的样品承载台，样品承载台与键合承载台通过移动转台连接，移动转台能够在键合承载台上滑动，样品承载台与移动转台转动连接，样品承载台上端用于固定预键合晶圆，键合真空腔能够在键合真空腔和退火真空腔之间移动，退火真空腔内设有退火加热装置。
进一步的，键合真空腔和退火真空腔设置于同一键合箱体内，键合真空腔和退火真空腔之间通过隔热板间隔。
进一步的，隔热板采用嵌入式安装方式设置于键合真空腔和退火真空腔之间。
进一步的，气源采用通气管设置于键合箱体侧壁，通气管上设有单向阀。
进一步的，移动转台包括移动底座，移动底座上端设有连接柱，连接柱上端与样品承载台下端通过转动轴转动连接，移动底座侧壁连接有推力装置。
进一步的，推力装置采用启动推力杆或者液压推力杆或者丝杠推力装置。
进一步的，样品承载台上设有用于夹持固定预键合晶圆的夹片。
进一步的，退火加热装置包括加热炉盘，加热炉盘上设置有加热丝，加热丝采用钽丝。
一种原子级离子清洁活化低温键合方法，包括以下步骤：
S1、将预键合晶圆进行清洗吹干预处理；
S2、将预处理后的预键合晶圆在清洁活化氛围下进行清洁活化处理，然后将清洁活化处理后的预键合晶圆在原子层沉积处理，将原子层沉积处理后的预键合晶圆进行键合；
S3、将键合后的预键合晶圆进行热退火后即可完成晶圆的低温键合。
进一步的，将2个预键合晶圆放入键合真空腔的样品承载台上并固定，然后将键合真空腔抽至真空，通入清洁活化所需气体，设置射频电极的射频源参数，产生等离子体，对2个预键合晶圆表面进行初始清洁活化；清洁活化过程中持续通入清洁活化所需气体，清洁完成后停止通入清洁活化所需气体，通入原子层沉积所需气体，重置射频电极射频源参数，清洁表面吸附层，活化表面悬挂键，在活化表面沉积1-3原子层的界面层。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明一种原子级离子清洁活化低温键合装置，通过在键合真空腔内设置射频电极和气源，采用移动承载台，在移动承载台上设置有键合承载台，键合承载台上设置有两个对称设置的样品承载台，样品承载台与键合承载台通过移动转台连接，移动转台能够在键合承载台上滑动，样品承载台与移动转台转动连接，样品承载台上端用于固定预键合晶圆，键合真空腔能够在键合真空腔和退火真空腔之间移动，形成相对固定的能够在独立空间内进行低温处理和退火处理的空间，能够实现在低温环境下进行，利用退火真空腔内的退火加热装置气体沉积1-3原子层来避免不易键合界面的晶格失配，最后经过热退火处理装置对晶圆进行热退火，从而获得高质量的键合界面和键合强度。
进一步的，通过控制射频源参数及时间来获得高质量低损伤式清洁活化的晶圆表面，控制精度高，可调控性好。
一种原子级离子清洁活化低温键合方法，采用低能离子对晶圆表面进行辐照处理，清洁表面吸附层，活化表面悬挂键，并对于不易键合的两种键合界面，采用原子层沉积技术迅速形成1-3层原子级键合界面层，使其达到界面键合的目的，并经由适当条件下的热退火，使原子界面层由非晶态转化为晶态的方法，这种方法有效避免了高温产生的热失配，并有效解决了不易键合晶圆的晶格失配，提高了键合界面的键合强度，从而提升键合件的整体性能。
附图说明
图1为本发明实施例中低温键合装置结构示意图。
图2为本发明实施例中具体键合流程图。
图中，1、键合箱体；2、键合真空腔；3、退火真空腔；4、键合承载装置；5、射频电极；6、气源；7、移动承载台；8、键合承载台；9、样品承载台；10、移动转台；11、预键合晶圆；12、退火加热装置；13、隔热板；14、转动轴；15、推力装置；16、夹片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，一种原子级离子清洁活化低温键合装置，包括键合真空腔2、退火真空腔3和键合承载装置4，键合真空腔2内设有射频电极5和气源6，射频电极5用于对清洁活化气体产生等离子气体清洁活化晶圆表面；键合承载装置4包括移动承载台7，移动承载台7上设置有键合承载台8，键合承载台8上设置有两个对称设置的样品承载台9，样品承载台9与键合承载台8通过移动转台10连接，移动转台10能够在键合承载台8上滑动，样品承载台9与移动转台10转动连接，样品承载台9上端用于固定预键合晶圆11，键合真空腔2能够在键合真空腔2和退火真空腔3之间移动，退火真空腔3内设有退火加热装置12，退火加热装置12用于提供退火加热热源。
具体的，键合真空腔2和退火真空腔3设置于同一键合箱体1内，键合真空腔2和退火真空腔3之间通过隔热板13间隔，隔热板13采用嵌入式安装方式设置于键合真空腔2和退火真空腔3之间，即在键合箱体1的侧壁或者上壁开设嵌入口，隔热板13设置于嵌入口内，隔热板13通过滑动方式在嵌入口内滑动，隔热板13的侧壁与键合箱体1的内壁贴合，实现键合真空腔2和退火真空腔3的隔离。
气源6采用通气管设置于键合箱体1侧壁，通气管上设有单向阀，用于通入清洁活化气体或者键合沉积气体，使键合真空腔2形成适合清洁活化的气体氛围或者适合键合沉积的气体氛围，键合真空腔2的侧壁还设有排气孔，用于气体置换排放，保持内部气体均衡。
移动转台10包括移动底座，移动底座上端设有连接柱，连接柱上端与样品承载台9下端通过转动轴14转动连接，移动底座侧壁连接有推力装置15，用于向移动底座提供推力，在清洁完成后，将两个对称设置的样品承载台9翻转，使两个预键合晶圆11键合面相对设置，随后通过移动底座给两片预键合晶圆11施加压力，通过控制压力的大小和时间，实现预键合晶圆的进一步键合。其中推力装置采用启动推力杆或者液压推力杆或者丝杠推力装置，用于提供直线推力。样品承载台9上设有夹片16，用于夹持固定预键合晶圆11。
气源6用于为键合真空腔2内提供清洁活化气体，采油工氩气或者氧气，通过调整射频电极5的射频参数，使之产生相关等离子气体清洁活化晶圆表面，射频电极5垂直设置于预键合晶圆11上端，产生的气体离子可垂直向下轰击样品表面，用于清洁和活化表面；再根据键合的实际需要，通入合适原子层沉积的气体，调整射频参数活化晶圆表面悬挂键的同时迅速沉积1-3原子层，经由翻转对准实现预键合，随后给两片预键合晶圆11施加适当压力，通过控制压力的大小和时间，来实现晶圆的进一步键合。
退火加热装置12包括加热炉盘，加热炉盘上设置有加热丝，加热丝采用钽丝，退火加热装置12连接有温度控制系统，通过温度控制系统设置退火真空腔内温度，保持适当时间，完成热退火过程，实现晶圆界面非晶态的转化并增加晶圆键合强度。
如图2所示，一种原子级离子清洁活化低温键合方法，包括以下步骤：
S1、将预键合晶圆进行清洗吹干预处理；具体的，采用丙酮、无水乙醇、等离子水依次清洗并吹干预键合晶圆表面，形成清洁的预键合晶圆；
S2、将预处理后的预键合晶圆在清洁活化氛围下进行清洁活化处理，然后将清洁活化处理后的预键合晶圆在原子层沉积处理，将原子层沉积处理后的预键合晶圆进行键合；
具体的，将2个预键合晶圆放入键合真空腔2的样品承载台9上，通过夹片16夹持预键合晶圆11，然后将键合真空腔2抽至高真空，通入清洁活化所需气体，设置射频电极5的射频源参数，产生等离子体，对2个预键合晶圆表面进行初始清洁活化；清洁活化过程中持续通入清洁活化所需气体，清洁完成后停止通入清洁活化所需气体，通入原子层沉积所需气体，设置射频电极5射频源参数，清洁表面吸附层，活化表面悬挂键，在活化表面沉积一层1-3原子层的界面层；
具体的，将原子层沉积后的两个样品承载台9翻转，此时两个预键合晶圆11对准，利用推力装置15提供晶圆键合的压力，实现晶圆在室温或者低温下的活化键合。
S3、将键合后的预键合晶圆进行热退火后即可完成晶圆的低温键合。
具体的，移动键合后的预键合晶圆至退火真空腔3内，关闭双真空腔之间的闸板，利用退火加热装置12对键合样品进行热退火，提高键合强度，完成晶片的键合。
实施例
具体的，一种原子级离子清洁活化低温键合方法，
步骤S1：丙酮、无水乙醇、等离子水依次清洗并吹干晶片；
步骤S2：将2个晶片放入清洁活化真空腔的样品承载台；
步骤S3：将真空腔抽至超高真空10-6Pa以下，通入所需清洁活化所需氩气，控制气体流量，设置射频源参数50W，腔压1.2Pa，产生等离子体，对晶片表面进行初始清洁活化；
步骤S4：关闭活化所需氩气，通入原子层沉积所需硅烷气体，控制气体流量，设置射频源参数50W，腔压1.2Pa，清洁表面吸附层，活化表面悬挂键，在活化表面沉积一层1-3原子层的界面层；
步骤S5：翻转对准晶圆，实现预键合，利用加压泵组提供晶圆键合的压力，实现晶圆在室温或者低温下的活化键合，键合压力50-300kg可选，时间2小时左右，温度低于300℃；
步骤S6：移动样品承载台至键合退火真空腔，关闭双真空腔之间的闸板；
步骤S7：利用热退火装置对键合样品进行热退火，提高键合强度，热退火温度400-500℃，时间30分钟至一小时，完成晶片的键合。
本发明通过采用低能离子对晶圆表面进行辐照处理，清洁表面吸附层，活化表面悬挂键，并对于不易键合的两种键合界面，采用原子层沉积技术迅速形成1-3层原子级键合界面层，使其达到界面键合的目的，并经由适当条件下的热退火，使原子界面层由非晶态转化为晶态的方法。这种方法有效避免了高温产生的热失配，并有效解决了不易键合晶圆的晶格失配，提高了键合界面的键合强度，从而提升键合件的整体性能。
综上所述，本发明提供的双真空腔晶圆清洁活化键合装置，可以控制实现高质量低损伤式的原子级清洁和活化界面，实现不易键合界面处的原子级连接键合，避免热失配和大的晶格失配并实现大的键合强度和界面热导。
Claims (7)
1.一种原子级离子清洁活化低温键合装置，其特征在于，包括键合真空腔(2)、退火真空腔(3)和键合承载装置(4)，键合真空腔(2)内设有射频电极(5)和气源(6)，键合承载装置(4)包括移动承载台(7)，移动承载台(7)上设置有键合承载台(8)，键合承载台(8)上设置有两个对称设置的样品承载台(9)，样品承载台(9)与键合承载台(8)通过移动转台(10)连接，移动转台(10)能够在键合承载台(8)上滑动，样品承载台(9)与移动转台(10)转动连接，样品承载台(9)上端用于固定预键合晶圆(11)，移动转台(10)能够在键合真空腔(2)和退火真空腔(3)之间移动，退火真空腔(3)内设有退火加热装置(12)，键合真空腔(2)和退火真空腔(3)设置于同一键合箱体(1)内，键合真空腔(2)和退火真空腔(3)之间通过隔热板(13)间隔，隔热板(13)采用嵌入式安装方式设置于键合真空腔(2)和退火真空腔(3)之间，移动转台(10)包括移动底座，移动底座上端设有连接柱，连接柱上端与样品承载台(9)下端通过转动轴(14)转动连接，移动底座侧壁连接有推力装置(15)。
2.根据权利要求1所述的一种原子级离子清洁活化低温键合装置，其特征在于，气源(6)采用通气管设置于键合箱体(1)侧壁，通气管上设有单向阀。
3.根据权利要求1所述的一种原子级离子清洁活化低温键合装置，其特征在于，推力装置采用启动推力杆或者液压推力杆或者丝杠推力装置。
4.根据权利要求1所述的一种原子级离子清洁活化低温键合装置，其特征在于，样品承载台(9)上设有用于夹持固定预键合晶圆(11)的夹片(16)。
5.根据权利要求1所述的一种原子级离子清洁活化低温键合装置，其特征在于，退火加热装置(12)包括加热炉盘，加热炉盘上设置有加热丝，加热丝采用钽丝。
6.一种基于权利要求1所述的一种原子级离子清洁活化低温键合装置的原子级离子清洁活化低温键合方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将预键合晶圆进行清洗吹干预处理；
S2、将预处理后的预键合晶圆在清洁活化氛围下进行清洁活化处理，然后将清洁活化处理后的预键合晶圆在原子层沉积处理，将原子层沉积处理后的预键合晶圆进行键合；
S3、将键合后的预键合晶圆进行热退火后即可完成晶圆的低温键合。
7.根据权利要求6所述的原子级离子清洁活化低温键合方法，其特征在于，将2个预键合晶圆放入键合真空腔的样品承载台上并固定，然后将键合真空腔抽至真空，通入清洁活化所需气体，设置射频电极的射频源参数，产生等离子体，对2个预键合晶圆表面进行初始清洁活化；清洁活化过程中持续通入清洁活化所需气体，清洁完成后停止通入清洁活化所需气体，通入原子层沉积所需气体，重置射频电极射频源参数，清洁表面吸附层，活化表面悬挂键，在活化表面沉积1-3原子层的界面层。
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