專利名稱：硅與硅真空鍵合裝置及鍵合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體器件或其部件的制造或處理，尤其是一種利用密封真空腔體和加力鍵合的硅與硅真空鍵合裝置及鍵合方法。
(2)背景技術(shù)由于硅材料具有很好的力學(xué)性能，隨著半導(dǎo)體工藝的成熟，就有了用硅材料制作傳感器和執(zhí)行器的手段，鍵合工藝則是制作傳感器和執(zhí)行器的重要手段之一，尤其是用這種方法可制作成本低、鍵合成功率可達(dá)95％以上的高質(zhì)量的絕緣體硅片(silicon on insulator，簡(jiǎn)稱SOI硅片)。
硅與硅的鍵合屬于晶體鍵的結(jié)合，由于晶體表面不可能達(dá)到分子尺度的平整度，因而鍵合面不可能完全重合，這就要求鍵合工藝必須由預(yù)鍵合和高溫鍵合兩部分組成，其中，預(yù)鍵合又分常溫鍵合與低溫鍵合兩部分。常溫預(yù)鍵合的質(zhì)量是鍵合成功的關(guān)鍵。
CN92107813.7號(hào)專利提供一種用于硅片之間實(shí)現(xiàn)直接化學(xué)鍵合的硅片直接鍵合方法，它將經(jīng)過(guò)鏡面拋光的硅片直接進(jìn)行清洗甩干，再在室溫下實(shí)現(xiàn)鏡面緊密接觸，使兩硅片重合在一起，然后快速投入高溫爐中進(jìn)行熱處理，恒溫處理后再緩慢降溫即可實(shí)現(xiàn)硅片的直接鍵合。
(3)發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明旨在提供一種既可保證在鍵合面上不會(huì)有太多的水份--鍵合面滑動(dòng)，也可以保證掛在硅片表面的水份不會(huì)被吸干--解除鍵合，鍵合成功率較高，主要用于常溫預(yù)鍵合的硅與硅真空加力鍵合裝置及鍵合方法。
本發(fā)明將需進(jìn)行常溫預(yù)鍵合的硅片放在真空腔中，并在硅片上施加均勻的力，利用密封真空腔體和加力鍵合可以有效地解決鍵合中的一系列問(wèn)題。
本發(fā)明所說(shuō)的硅與硅真空加力鍵合裝置設(shè)有上蓋、底座和真空密封圈。真空密封圈設(shè)于上蓋與底座之間。在上蓋中由下表面至上蓋外設(shè)管道，在底座中由上表面至底座外設(shè)管道，上述管道用于吸住并固定需要鍵合的硅片。上蓋和底座最好為透光材料制成。在上蓋或底座中由真空腔內(nèi)至外部設(shè)真空腔管道。在上蓋上方可設(shè)攝像裝置和顯示裝置，在底座的下方設(shè)照明裝置。照明裝置可為紅外燈。本發(fā)明所說(shuō)的硅與硅真空加力鍵合方法為1、首先，在硅與硅真空加力鍵合裝置的密封真空鍵合腔體中灌入氧氣或氮?dú)猓诿芊庹婵真I合腔體內(nèi)形成正壓，確保密封真空鍵合腔體內(nèi)的潔凈度。
2、先分別將被鍵合的硅片用甲苯，丙酮和乙醇溶液清洗。
3、在稀釋的氫氟酸溶液中去除其表面的氧化層活化表面，再用去離子水沖洗。
4、然后用1號(hào)清洗液清洗，所說(shuō)的1號(hào)清洗液的組份為去離子水、雙氧水與氫氧化銨，再用2號(hào)清洗液清洗，所說(shuō)的2號(hào)清洗液的組份為去離子水、雙氧水與鹽酸。
5、清洗后的硅片甩干。
6、關(guān)閉密封真空鍵合腔中的純凈氣體，將甩干后的被鍵合的硅片分別放入鍵合裝置的上蓋的下方和底座的上方，并由上蓋管道和底座管道中的真空吸住。
7、打開(kāi)真空腔管道的真空閥門(mén)，使密封真空鍵合腔內(nèi)抽真空，由于上蓋的上方受大氣壓力的作用加之真空密封圈是可變形的，這使被鍵合的硅片隨真空度的提高產(chǎn)生接觸壓力。壓力的大小正比與真空密封圈尺寸的大小、反比與被鍵合硅片尺寸的大小，作用在鍵合硅片上的力應(yīng)滿足F＝(A1-A2)×(P1-P2)-F1(1)式中F-作用在鍵合硅片上的力；A1-密封圈內(nèi)面積；A2-鍵合硅片的面積；P1-大氣壓力105Pa；P2-真空鍵合腔中的壓力1Pa；F1-作用在密封圈上的力。
由于密封真空鍵合腔中的壓力P2與作用在真空密封圈上的力F1相比與其它的壓力和力通常比較小，所以可以忽略。此時(shí)公式(1)可簡(jiǎn)化為F＝(A1-A2)×P1(2)從公式(2)可以看出，作用在鍵合硅片上的力主要是來(lái)自于大氣的壓力，這個(gè)壓力通過(guò)光滑平整的上蓋和底座作用在硅片的鍵合面上。顯然，這個(gè)力是一個(gè)加載柔和均勻的力。
經(jīng)過(guò)常溫預(yù)鍵合的硅片再進(jìn)行低溫鍵合和高溫鍵合。
本發(fā)明可以實(shí)用于硅與硅、硅與玻璃、硅與硅重?fù)诫sP+面、硅與碳化硅、硅與砷化鎵材料的預(yù)鍵合。本真空加力鍵合工藝有許多優(yōu)點(diǎn)，最為突出的優(yōu)點(diǎn)是由于這種真空加力鍵合工藝具有極強(qiáng)的預(yù)鍵合強(qiáng)度，因而可以廣泛應(yīng)用在SOI硅片的生產(chǎn)，微機(jī)電(MEMS)器件中硅面與硅面、硅面與氧化層面、硅面與P+摻雜面、硅面與碳化硅面、硅與玻璃材料鍵合的工藝。這種鍵合工藝制作成本低，鍵合成功率高，工藝過(guò)程容易成批量生產(chǎn)。
(4)


圖1為硅與硅真空加力鍵合裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明的鍵合工作原理圖。
(5)具體實(shí)施方式
實(shí)施例1如圖1所示，設(shè)有透光的上蓋1、透光的底座2和真空密封圈3。上蓋1與底座2之間形成密封真空鍵合腔4，管道5和管道6用來(lái)吸住并固定需要鍵合的硅片A和硅片B，真空腔管道7用于在密封真空鍵合腔中抽真空，真空密封圈3用于鍵合過(guò)程的真空密封，紅外燈8、攝像機(jī)9、顯示器10用于鍵合過(guò)程的監(jiān)測(cè)，濕度計(jì)11用于監(jiān)測(cè)密封真空鍵合腔中的濕度。
常溫預(yù)鍵合過(guò)程如下首先將需要鍵合的硅片A放在透明上蓋1的下表面并由管道5中的真空吸住、將硅片B放在透明底座2的上表面并由管道6中的真空吸住，這時(shí)，硅片A與硅片B沒(méi)有接觸。通過(guò)紅外燈8、攝像機(jī)9、顯示器10可以看到硅片A和硅片B鍵合面上的圖形并可進(jìn)行圖形對(duì)準(zhǔn)。對(duì)準(zhǔn)后，真空腔管道7開(kāi)始抽真空，真空密封圈3壓縮，此時(shí)硅片A的下表面和硅片B的上表面開(kāi)始接觸鍵合，其工作原理及過(guò)程見(jiàn)圖2，隨著密封真空鍵合腔4中真空度的提高，鍵合面上受到的均勻壓力增加，這促使鍵合面充分接觸。鍵合面上的水分通過(guò)濕度計(jì)檢測(cè)，鍵合過(guò)程通過(guò)攝像機(jī)監(jiān)測(cè)。常溫預(yù)鍵合后的硅片取出后，需在低溫(攝氏100度到400度)鍵合，然后再在高溫(攝氏800度到1200度)鍵合。
實(shí)施例2參見(jiàn)圖1，2，硅與硅真空加力鍵合工藝過(guò)程如下1、首先，在真空腔管道7中通入少量純凈氧氣或氮?dú)?，使密封真空鍵合腔4內(nèi)形成正壓，確保鍵合腔內(nèi)的潔凈度。
2、分別將要被鍵合的硅片A和硅片B的鍵合面用干凈的干綢布沿同一方向擦，將鍵合面粘著的粉塵顆粒去除。
3、分別將被鍵合的硅片A和硅片B用甲苯、丙酮和乙醇溶液加超聲攪拌各清洗5分鐘去除表面油脂污染。
4、在稀釋的氫氟酸溶液(可采用49％的氫氟酸∶去離子水＝1∶10)中10秒鐘去除其表面的氧化層活化表面，再用去離子水沖洗，使去離子水的電阻率在11至12MΩ之間。
5、然后用1號(hào)清洗液清洗，所說(shuō)的1號(hào)清洗液的組份為去離子水、雙氧水與氫氧化銨，其含量為去離子水∶氫氧化銨∶雙氧水＝5∶1∶2；將配好的1號(hào)清洗液加溫到70℃后，放入要清洗的硅片5分鐘，再用去離子水沖洗到11至12MΩ之間。再用2號(hào)清洗液清洗，所說(shuō)的2號(hào)清洗液的組份為去離子水、雙氧水與鹽酸，其含量為去離子水∶雙氧水∶鹽酸＝5∶1∶2，鹽酸的濃度為27％，雙氧水的濃度為30％，氫氧化銨的濃度為27％。將配好的2號(hào)清洗液加溫到70℃±5℃后，放入要清洗的硅片5分鐘，再用去離子水沖洗使去離子水的電阻率在11至15MΩ之間。
6、清洗后的硅片放入硅片甩干機(jī)甩干。
7、關(guān)閉密封真空鍵合腔中的純凈氣體，將甩干后被鍵合的硅片放在透明上蓋1的下表面并由管道5中的真空吸住，將硅片B放在透明底座2的上表面并由管道6中的真空吸住。此時(shí)，硅片A和硅片B沒(méi)有接觸，如圖1所示。
8、通過(guò)紅外燈8、攝像機(jī)9、顯示器10可以將硅片A和硅片B鍵合面上的圖形進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)。
9、通過(guò)真空腔管道7對(duì)真空腔4抽真空，硅片A和硅片B的鍵合面接觸如圖2所示，最終真空腔內(nèi)將產(chǎn)生一個(gè)約1Pa的真空，抽真空過(guò)程約需要20分鐘，具體根據(jù)濕度計(jì)監(jiān)測(cè)的情況確定。
10、關(guān)閉真空腔管道7中的真空，在管道5和管道6中同入少量的氮?dú)猓瑢⒁焰I合的硅片從真空鍵合腔4中取出。
11、常溫鍵合的硅片從加力鍵合裝置上拿下來(lái)，首先在氧化擴(kuò)散爐中低溫(攝氏100度到200度)鍵合，時(shí)間為10分鐘，然后迅速放在高溫環(huán)境下(攝氏800度到1000度鍵合)鍵合，時(shí)間大于1小時(shí)。
實(shí)施例3參見(jiàn)圖1，2，硅與硅真空加力鍵合工藝過(guò)程如下首先，在真空腔管道7中通入少量純凈氧氣或氮?dú)猓姑芊庹婵真I合腔4內(nèi)形成正壓，確保鍵合腔內(nèi)的潔凈度。分別將要被鍵合的硅片A和硅片B的鍵合面用干凈的干綢布沿同一方向擦，將鍵合面粘著的粉塵顆粒去除。分別將被鍵合的硅片A和硅片B用甲苯、丙酮和乙醇溶液加超聲攪拌各清洗10分鐘去除表面油脂污染。在稀釋的氫氟酸溶液(可采用49％的氫氟酸∶去離子水＝1∶5)中5秒鐘去除其表面的氧化層活化表面，再用去離子水沖洗，使去離子水的電阻率在16至18MΩ之間。然后用1號(hào)清洗液清洗，所說(shuō)的1號(hào)清洗液的組份為去離子水、雙氧水與氫氧化銨，其含量為去離子水∶氫氧化銨∶雙氧水＝5∶1∶1；將配好的1號(hào)清洗液加溫到65℃后，放入要清洗的硅片10分鐘，再用去離子水沖洗到13至15MΩ之間。再用2號(hào)清洗液清洗，所說(shuō)的2號(hào)清洗液的組份為去離子水、雙氧水與鹽酸，其含量為去離子水∶雙氧水∶鹽酸＝5∶1∶1.5，鹽酸的濃度為27％，雙氧水的濃度為30％，氫氧化銨的濃度為27％。將配好的2號(hào)清洗液加溫到75℃后，放入要清洗的硅片5分鐘，再用去離子水沖洗使去離子水的電阻率在13至15MΩ之間。清洗后的硅片放入硅片甩干機(jī)甩干。關(guān)閉密封真空鍵合腔中的純凈氣體，將甩干后被鍵合的硅片放在透明上蓋1的下表面并由管道5中的真空吸住，將硅片B放在透明底座2的上表面并由管道6中的真空吸住。此時(shí)，硅片A和硅片B沒(méi)有接觸，如圖1所示。通過(guò)紅外燈8、攝像機(jī)9、顯示器10可以將硅片A和硅片B鍵合面上的圖形進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)。通過(guò)真空腔管道7對(duì)真空腔4抽真空，硅片A和硅片B的鍵合面接觸如圖2所示，最終真空腔內(nèi)將產(chǎn)生一個(gè)0.8Pa的真空，抽真空過(guò)程約需要10分鐘，具體根據(jù)濕度計(jì)監(jiān)測(cè)的情況確定。關(guān)閉真空腔管道7中的真空，在管道5和管道6中同入少量的氮?dú)?，將已鍵合的硅片從真空鍵合腔4中取出。常溫鍵合的硅片從加力鍵合裝置上拿下來(lái)，首先在氧化擴(kuò)散爐中低溫(攝氏300度到400度)鍵合，時(shí)間為10分鐘，然后迅速放在高溫環(huán)境下(攝氏900度到1100度鍵合)鍵合，時(shí)間大于80分鐘。
實(shí)施例4參見(jiàn)圖1，2，首先，在真空腔管道7中通入少量純凈氧氣或氮?dú)?，使密封真空鍵合腔4內(nèi)形成正壓，確保鍵合腔內(nèi)的潔凈度。分別將要被鍵合的硅片A和硅片B的鍵合面用干凈的干綢布沿同一方向擦，將鍵合面粘著的粉塵顆粒去除。分別將被鍵合的硅片A和硅片B用甲苯、丙酮和乙醇溶液加超聲攪拌各清洗10分鐘去除表面油脂污染。在稀釋的氫氟酸溶液(可采用49％的氫氟酸∶去離子水＝1∶20)中15秒鐘去除其表面的氧化層活化表面，再用去離子水沖洗，使去離子水的電阻率在13至15MΩ之間。然后用1號(hào)清洗液清洗，所說(shuō)的1號(hào)清洗液的組份為去離子水、雙氧水與氫氧化銨，其含量為去離子水∶氫氧化銨∶雙氧水＝5∶1∶1.5；將配好的1號(hào)清洗液加溫到75℃后，放入要清洗的硅片4分鐘，再用去離子水沖洗到17至18MΩ之間。再用2號(hào)清洗液清洗，所說(shuō)的2號(hào)清洗液的組份為去離子水、雙氧水與鹽酸，其含量為去離子水∶雙氧水∶鹽酸＝5∶1∶1，鹽酸的濃度為27％，雙氧水的濃度為30％，氫氧化銨的濃度為27％。將配好的2號(hào)清洗液加溫到65℃后，放入要清洗的硅片8分鐘，再用去離子水沖洗使去離子水的電阻率在17至18MΩ之間。清洗后的硅片放入硅片甩干機(jī)甩干。關(guān)閉密封真空鍵合腔中的純凈氣體，將甩干后被鍵合的硅片放在透明上蓋1的下表面并由管道5中的真空吸住，將硅片B放在透明底座2的上表面并由管道6中的真空吸住。此時(shí)，硅片A和硅片B沒(méi)有接觸，如圖1所示。通過(guò)紅外燈8、攝像機(jī)9、顯示器10可以將硅片A和硅片B鍵合面上的圖形進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)。通過(guò)真空腔管道7對(duì)真空腔4抽真空，硅片A和硅片B的鍵合面接觸如圖2所示，最終真空腔內(nèi)將產(chǎn)生一個(gè)1.2Pa的真空，抽真空過(guò)程約需要40分鐘，具體根據(jù)濕度計(jì)監(jiān)測(cè)的情況確定。關(guān)閉真空腔管道7中的真空，在管道5和管道6中同入少量的氮?dú)?，將已鍵合的硅片從真空鍵合腔4中取出。常溫鍵合的硅片從加力鍵合裝置上拿下來(lái)，首先在氧化擴(kuò)散爐中低溫(攝氏200度到300度)鍵合，時(shí)間為15分鐘，然后迅速放在高溫環(huán)境下(攝氏1000度到1200度鍵合)鍵合，時(shí)間大于50分鐘。
權(quán)利要求
1.硅與硅真空加力鍵合裝置，其特征在于設(shè)有上蓋、底座和真空密封圈；真空密封圈設(shè)于上蓋與底座之間；在上蓋中由下表面至上蓋外設(shè)管道，在底座中由上表面至底座外設(shè)管道，在上蓋或底座中由真空腔內(nèi)至外部設(shè)真空腔管道。
2.如權(quán)利要求1所述的硅與硅真空加力鍵合裝置，其特征在于在上蓋上方設(shè)攝像裝置和顯示裝置，在底座的下方設(shè)照明裝置。
3.如權(quán)利要求1所述的硅與硅真空加力鍵合裝置，其特征在于照明裝置為紅外燈。
4.如權(quán)利要求1所述的硅與硅真空加力鍵合裝置，其特征在于上蓋和底座為透光材料制成。
5.硅與硅真空加力鍵合方法，其特征在于其步驟為1)在硅與硅真空加力鍵合裝置的密封真空鍵合腔體中灌入氧氣或氮?dú)猓诿芊庹婵真I合腔體內(nèi)形成正壓，確保密封真空鍵合腔體內(nèi)的潔凈度；2)分別將被鍵合的硅片用甲苯，丙酮和乙醇溶液清洗；3)在稀釋的氫氟酸溶液中去除其表面的氧化層活化表面，再用去離子水沖洗；4)用1號(hào)清洗液清洗，所說(shuō)的1號(hào)清洗液的組份為去離子水、雙氧水與氫氧化銨，再用2號(hào)清洗液清洗，所說(shuō)的2號(hào)清洗液的組份為去離子水、雙氧水與鹽酸；5)清洗后的硅片甩干；6)關(guān)閉密封真空鍵合腔中的純凈氣體，將甩干后的被鍵合的硅片分別放入鍵合裝置的上蓋的下方和底座的上方，并由上蓋管道和底座管道中的真空吸住；7)打開(kāi)真空腔管道的真空閥門(mén)，使密封真空鍵合腔內(nèi)抽真空，作用在鍵合硅片上的力應(yīng)滿足F＝(A1-A2)×(P1-P2)-F1，即完成常溫預(yù)鍵合；所說(shuō)的硅與硅真空加力鍵合裝置設(shè)有上蓋、底座和真空密封圈；真空密封圈設(shè)于上蓋與底座之間；在上蓋中由下表面至上蓋外設(shè)管道，在底座中由上表面至底座外設(shè)管道，在上蓋或底座中由真空腔內(nèi)至外部設(shè)真空腔管道。
6.如權(quán)利要求5所述的硅與硅真空加力鍵合方法，其特征在于所說(shuō)的經(jīng)過(guò)常溫預(yù)鍵合的硅片再進(jìn)行低溫鍵合和高溫鍵合。
7.如權(quán)利要求5所述的硅與硅真空加力鍵合方法，其特征在于所說(shuō)的氫氟酸溶液為49％的氫氟酸∶去離子水＝1∶(5～20)。
8.如權(quán)利要求5所述的硅與硅真空加力鍵合方法，其特征在于所說(shuō)的1號(hào)清洗液其含量為去離子水∶氫氧化銨∶雙氧水＝5∶1∶(1～2)。
9.如權(quán)利要求5所述的硅與硅真空加力鍵合方法，其特征在于所說(shuō)的1號(hào)清洗液其含量為去離子水∶雙氧水∶鹽酸＝5∶1∶(1～2)。
全文摘要
涉及一種利用密封真空腔體和加力鍵合的硅與硅真空鍵合裝置及鍵合方法。設(shè)有上蓋、底座和密封圈，密封圈設(shè)于上蓋與底座之間，在上蓋和底座中設(shè)管道，在上蓋或底座中由真空腔內(nèi)至外部設(shè)真空腔管道。鍵合方法為在鍵合裝置的密封真空鍵合腔體中灌入氧氣或氮?dú)?，在腔體內(nèi)形成正壓，將硅片清洗，甩干后放入鍵合裝置的上蓋的下方和底座的上方，打開(kāi)閥門(mén)，抽真空?？蓪?shí)用于硅與硅、硅與玻璃、硅與硅重?fù)诫sP+面、硅與碳化硅、硅與砷化鎵材料的預(yù)鍵合。預(yù)鍵合強(qiáng)度極強(qiáng)，廣泛應(yīng)用在SOI硅片的生產(chǎn)，微機(jī)電器件中硅面與硅面、硅面與氧化層面、硅面與P+摻雜面、硅面與碳化硅面、硅與玻璃材料鍵合的工藝。制作成本低，鍵合成功率高，容易成批量生產(chǎn)。
文檔編號(hào)H01L21/02GK1521807SQ0310401
公開(kāi)日2004年8月18日 申請(qǐng)日期2003年2月11日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月11日
發(fā)明者馮勇建, 吳青海 申請(qǐng)人:廈門(mén)大學(xué)