一种利用半导体制冷片进行高低温可控晶圆键合的方法技术

一种利用半导体制冷片进行高低温可控晶圆键合的方法，步骤为：晶圆贴合在晶圆压头上→半导体制冷片的冷面与晶圆压头相贴合对晶圆降温→压头压力作用下进行键合→半导体制冷片的热面与晶圆压头相贴合对晶圆升温→退火。本发明专利技术一方面通过半导体制冷片的冷面，对晶圆的键合过程实施干预，以热传导的方式降低晶圆的温度，使晶圆表面附近的气体液化，然后在一定外力和水分子双重因素作用下，使原本空洞处的R-OH通过水分子的桥接作用连接起来，以达到减少甚至根除晶圆预键合空洞的形成；另一方面通过半导体制冷片的热面，以热传导的方式升高已经键合晶圆的温度，使其在一定温度下完成退火，以达到进一步减少空洞的数量和增加晶圆键合界面强度的目的。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于半导体制造领域，涉及一种利用半导体制冷片进行高低温可控晶圆键合的方法。
技术介绍
近年来制造业在追求器件高性能的同时，多功能电子/光学/生物医疗器件的集成也成为新型电子产品的关键推动力之一。连接（又称为“键合”）工艺是整合多元化复杂系统的不可替代的重要环节。随着半导体工艺技术不断推进，制造业朝着大批量低成本的方向发展，由于大面积的晶圆直接键合能够简化器件制作流程，降低生产成本，日益被产业界所关注。传统的晶圆键合技术是利用RCA等溶液对抛光洁净的晶圆表面进行清洗形成亲水表面，而后在室温下（～25℃）大气环境中将具有亲水表面的两片晶圆接合到一起，该过程被称为预键合。由于预键合后的晶圆片仅依靠两晶圆表面吸附的水分子层之间的范德华力或氢键的作用，在室温下键合强度很弱，键合后需要利用退火工艺将预键合后的晶圆片在100～800℃范围内加热若干小时方能达到足够的键合强度。至今为止所开发出的键合方法和键合设备主要着眼于对退火工艺的优化（如加热温度，退火时间，加热环境等）。而在退火工艺之前的预键合过程至关重要。由于晶圆本身具有一定的翘曲（～10微米），预键合过程中往往因为晶圆表面水分子吸附不足，翘曲的晶圆表面之间间隙过大（超过范德华力或氢键的作用范围），这造成了预键合后的晶圆存在大面积未键合区域和缺陷。而这些问题仅依靠后续的退火工艺较难改善。因此，如何克服上述晶圆低温直接键合所出现的各种问题成为本领域技术人员致力于研究的方向。
技术实现思路
针对上述存在的问题，本专利技术提供了一种利用半导体制冷片进行高低温可控晶圆键合的方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种利用半导体制冷片进行高低温可控晶圆键合的方法，按照以下步骤实现晶圆的直接键合：晶圆贴合在晶圆压头上→半导体制冷片的冷面与晶圆压头相贴合对晶圆降温→压头压力作用下进行键合→半导体制冷片的热面与晶圆压头相贴合对晶圆升温→对晶圆进行退火，具体实施步骤如下：一、对第一晶圆和第二晶圆表面分别进行清洗及活化处理；二、将清洗及活化处理过的第一晶圆和第二晶圆分别贴合在第一晶圆压头和第二晶圆压头上；三、通过半导体制冷片的冷面与晶圆压头贴合对第一晶圆和第二晶圆进行降温处理（从25℃降温到-25℃）；四、在压头压力（0~300kgf）作用下使第一晶圆和第二晶圆进行键合；五、通过半导体制冷片的热面与晶圆压头贴合对键合的晶圆在一定温度下进行退火处理（>100℃，1~48小时）。本专利技术中，所述第一晶圆和第二晶圆的尺寸任意。本专利技术中，所述第一晶圆和第二晶圆可以是相同尺寸，也可以是不同尺寸。本专利技术中，所述第一晶圆和第二晶圆可以是同种材料，也可以是异种材料。本专利技术中，所述第一晶圆压头和第二晶圆压头可以是任意形状。本专利技术中，所述活化处理的方法包括：湿法活化处理、干法活化处理和等离子体法活化处理等。本专利技术中，通过半导体制冷片的冷面与晶圆压头贴合对第一晶圆和第二晶圆进行降温处理时，对晶圆实施降温是通过半导体制冷片的冷面以热传导的方式对晶圆进行降温。本专利技术中，通过半导体制冷片的冷面与晶圆压头贴合对第一晶圆和第二晶圆进行降温处理时，第一晶圆和第二晶圆可以降低到相同温度，也可以降低到不同温度。本专利技术中，通过半导体制冷片的热面与晶圆压头贴合对键合的晶圆在一定温度下进行退火处理时，对晶圆实施升温是通过半导体制冷片的热面以热传导的方式对晶圆进行升温。本专利技术中，通过半导体制冷片的热面与晶圆压头贴合对键合的晶圆在一定温度下进行退火处理时，第一晶圆和第二晶圆可以升高到相同温度，也可以升高到不同温度。本专利技术中，键合过程中晶圆的温度可降低至环境温度-50℃的范围。本专利技术中，键合后的加热温度可以达到环境温度+80℃的范围。本专利技术中，键合过程中可以对晶圆表面附近的气体的局部湿度进行调控，局部相对湿度可以控制在40～100%（水蒸气露点）范围内。本专利技术一方面通过半导体制冷片的冷面，对晶圆的键合过程实施干预，以热传导的方式降低晶圆的温度，使晶圆表面附近的气体液化，从而提高晶圆所处氛围的局部湿度，然后在一定外力和所增加的水分子双重因素作用下，使原本空洞处的R-OH通过水分子的桥接作用连接起来，以达到减少甚至根除晶圆预键合空洞的形成；另一方面通过半导体制冷片的热面，以热传导的方式升高已经键合晶圆的温度，使其在一定温度下完成退火，以达到进一步减少空洞的数量和增加晶圆键合界面强度的目的。附图说明图1为压头侧面剖视图；图2为Si晶圆与压头的贴合；图3为半导体制冷片的冷面与晶圆压头贴合；图4为Si晶圆进行预键合；图5为半导体制冷片的热面与晶圆压头贴合；图中：1-晶圆压头；2-半导体制冷片；3-半导体制冷片固定架；4-升降螺杆；5-导热硅脂；6-半导体制冷片的制热面；7-半导体制冷片的制冷面；8-真空吸杆；9-Si晶圆。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本专利技术技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术技术方案的精神和范围，均应涵盖在本专利技术的保护范围中。本专利技术提供了一种利用半导体制冷片进行高低温可控晶圆键合的方法，具体实施步骤如下：（1）取材：准备实验所需要的第一晶圆、第二晶圆、第一晶圆压头、第二晶圆压头、半导体制冷片、导热硅脂及与活化处理相关的实验用品等。（2）涂覆导热硅脂：向半导体制冷片的上下表面均匀的涂覆导热硅脂，便于半导体制冷片对晶圆压头传递热量和吸收热量。（3）装夹半导体制冷片：如图1所示，晶圆压头装置主要由晶圆压头1、半导体制冷片固定架3、升降杆4和真空吸杆8四部分组成，其中，半导体制冷片固定架3位于晶圆压头1的中空位置，升降杆4在竖直方向被固定在晶圆压头1上仅可以做旋转运动。半导体制冷片固定架3和升降杆4以螺纹关系配合在一起，形成螺旋副。真空吸杆8的中轴线与晶圆压头1的中轴线相重合，并与晶圆压头1前端形成螺纹密封连接。当升降杆4转动时，会使二者产生相对运动，由于升降杆4在竖直方向被固定，所以会使半导体制冷片固定架3上下移动。在真空吸杆8产生吸力的作用下，晶圆会被吸附在晶圆压头1上。将半导体制冷片2固定在晶圆压头装置里面的半导体制冷片固定架3上，当半导体制冷片2在通入12V左右直流电时，会在其上下表面分别产生制冷面6和制热面7。根据需要，启动升降杆4带动半导体制冷片固定架3向上或者向下移动，并在移动的终止点与晶圆压头1通过导本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种利用半导体制冷片进行高低温可控晶圆键合的方法，其特征在于所述方法步骤如下：一、对第一晶圆和第二晶圆表面分别进行清洗及活化处理；二、将清洗及活化处理过的第一晶圆和第二晶圆分别贴合在第一晶圆压头和第二晶圆压头上；三、通过半导体制冷片的冷面与晶圆压头贴合对第一晶圆和第二晶圆进行降温处理；四、在压头压力作用下使第一晶圆和第二晶圆进行键合；五、通过半导体制冷片的热面与晶圆压头贴合对键合的晶圆在一定温度下进行退火处理。

【技术特征摘要】
1.一种利用半导体制冷片进行高低温可控晶圆键合的方法，其特征在于所述方法步骤
如下：
一、对第一晶圆和第二晶圆表面分别进行清洗及活化处理；
二、将清洗及活化处理过的第一晶圆和第二晶圆分别贴合在第一晶圆压头和第二晶圆
压头上；
三、通过半导体制冷片的冷面与晶圆压头贴合对第一晶圆和第二晶圆进行降温处理；
四、在压头压力作用下使第一晶圆和第二晶圆进行键合；
五、通过半导体制冷片的热面与晶圆压头贴合对键合的晶圆在一定温度下进行退火处
理。
2.根据权利要求1所述的利用半导体制冷片进行高低温可控晶圆键合的方法，其特征
在于所述降温处理过程中，温度从25℃降温到-25℃。
3.根据权利要求1所述的利用半导体制冷片进行高低温可控晶圆键合的方法...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晨曦，许继开，田艳红，刘宝磊，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：黑龙江;23