專利名稱：一種短波長光輔助硅片直接鍵合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于晶圓鍵合技術(shù)，具體涉及一種短波長光輔助硅片直接鍵 合方法。
背景技術(shù)：
圓片直接鍵合(Wafer Direct Bonding, WDB)是兩圓片經(jīng)表面清洗和 活化處理，在室溫下直接貼合，再經(jīng)過熱處理使之結(jié)合的技術(shù)。使用WDB 技術(shù)，不僅可以制備SOI (Silicon on Insulator),硅薄膜材料，還可以用于 高集成度的圓片級封裝和制造光波導(dǎo)等。目前圓片直接鍵合主要的研究包括了疏水鍵合和親水鍵合。疏水鍵 合的原理是在鍵合界面懸掛H和F，生成的Si-H和Si-F通過氫鍵作用 形成Si-F...H-Si，高溫退火后形成Si-Si共價鍵實現(xiàn)鍵合。親水鍵合則 是在硅片表面形成大量懸掛的-OH，貼合后界面的Si-OH通過氫鍵的橋 連和-OH之間的脫水反應(yīng)形成Si-O-Si共價鍵，實現(xiàn)硅片之間的鍵合。 為了提高親水鍵合表面活性，需在表面形成大量懸掛的-OH。日前，國 內(nèi)外學(xué)者對于表面活化提出了許多方法，主要包括濕化學(xué)法和干法表面 處理。濕化學(xué)法的^t點在于可以批量對硅片進行表面處理，其過程可與 IC工藝兼容，成本低，缺點是活化過程比較繁雜。對于干法表面處理， 使用等離子法可以獲得較高的表面能，活化效果好，但等離子法設(shè)備要 求高，成本昂貴，對器件表面也可能造成傷害。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種短波長光輔助硅片直接鍵合方法，該方 法可以提高鍵合強度高，所需設(shè)備簡單。本發(fā)明提供的短波長光輔助硅片直接鍵合方法，其步驟包括 G)將待鍵合的硅片進行清洗；(2) 將清洗后的硅片進行氧化性氨溶液活化，活化后取出；(3) 將氧化性氨溶液活化后的硅片用短波長光繼續(xù)輔助活化，活化 后取出；(4) 將短波長光輔助活化后的硅片甩干，快速貼合，使之預(yù)鍵合；(5) 進行加熱退火，使貼合后的硅片鍵合。本發(fā)明經(jīng)過短波長光輻射活化處理后的硅片結(jié)合緊密，無需外壓力 作用就能實現(xiàn)硅硅直接鍵合。該方法將濕化學(xué)法活化與干法活化結(jié)合，具有以下優(yōu)點(1)該方法在常溫常壓的環(huán)境中進行，是一種非接觸式 的干法清洗技術(shù)；(2)短波長光能夠深入材料表面細(xì)微的部位，發(fā)生光 敏氧化反應(yīng)，生成可揮發(fā)性氣體，可徹底去除表面微小顆粒，不會造成 二次污染；G)短波長光光輻射改質(zhì)不會造成晶體缺陷；(4)設(shè)備簡單， 成本低廉，活化時間短；(5)對于硅以外其它材料，如in—V族元素、 玻璃等也具有很好的輔助鍵合效果。通過控制合適的光照時間可以獲得 較高的強度，同時，對鍵合好的硅片進行了恒溫恒濕和高低溫交變循環(huán) 處理，試驗后硅片仍能保持較高的鍵合強度。因此，該工藝對于改進圓 片直接鍵合是行之有效的。總之，本發(fā)明方法可以實現(xiàn)較高質(zhì)量的鍵合， 鍵合強度高，可靠性好，所需設(shè)備簡單，鍵合速度快，鍵合周期短，鍵 合面積大，鍵合溫度低，且在鍵合強度及鍵合可靠性上具有明顯優(yōu)勢。


圖1為本發(fā)明的工藝流程圖；圖2為短波長光光照3分鐘預(yù)鍵合紅外圖像；圖3為短波長光光照3分鐘后斷裂界面；圖4為短波長光光照3分鐘后鍵合中間過渡層形貌；具體實施方式
下面結(jié)構(gòu)附圖和實例對本發(fā)明作進一步詳細(xì)的說明。如圖1所示，本發(fā)明提供的短波長光輔助硅片直接鍵合方法，其步驟包括(1) 將待鍵合的硅片進行清洗 硅片清洗可以采用常規(guī)的流程進行，也可以采用下述優(yōu)選過程(1. 1)使用丙酮將待鍵合的硅片超聲清洗3 20分鐘；(1. 2)再使用氫氟酸溶液超聲清洗3 10分鐘，氫氟酸溶液質(zhì)量 百分?jǐn)?shù)為1% 20%;(1. 3)然后在硫酸與雙氧水混合溶液中清冼，H2S04、水與H202 的質(zhì)量比為H2S04: H20: H202=5.5 22: 2.4 2.8: 1。(2) 將清洗后的硅片進行氧化性氨溶液活化，活化后取出； 氧化性氨溶液活化可以采用常規(guī)流程進行，其優(yōu)選方式為-所述氧化性氨溶液活化步驟中，氧化性氨溶液為氮水、11202和水的混合溶液，各組分質(zhì)量比順4011:: 20:11202=0.7 2.1: 13 37: 1。(3) 短波長光光照活化步驟，將常規(guī)活化后的硅片用短波長光繼續(xù) 輔助活化，活化后取出；所述短波長光活化步驟中，短波長光的波長范圍100 400nm，短 波長光照射光強約為5 30mW/cm2，活化時間0.5 30分鐘。(4) 預(yù)鍵合步驟，將短波長光輔助活化后的硅片甩干，快速貼合， 使之預(yù)鍵合；(5)退火步驟，利用退火爐加熱退火，使貼合后的硅片鍵合。 退火的優(yōu)化參數(shù)范圍為退火溫度100 400°C，退火時間5 30 小時。實施例1:1、 清洗樣片將待鍵合樣片浸泡于丙酮(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)99.5%)中， 超聲清洗5分鐘，再置于HF溶液(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)5%)中超聲清洗5分鐘，然后在硫酸與雙氧水溶液(質(zhì)量比為H2S04: H20: H202=5.5: 2.5:1)中在13(TC下煮沸20分鐘；2、 氧化性氨溶液活化將硅片置于氧化性氨溶液(質(zhì)量比NH40H: H2O:H2O2=0.7: 19: 1)中浸泡10分鐘，控制溫度在7(TC;3、 短波長光光照活化將待鍵合樣片甩干后，使用短波長光活化，短波長光包括波長254nm和185nm的兩種紫外光，照射光強為15 mW/cm2，活化樣片3分鐘；4、 圓片預(yù)鍵合將活化后的硅片甩干后，快速貼合，使之預(yù)鍵合；5、 退火使用退火爐在350'C下退火20小時。將使用短波長光輔助鍵合的硅片采用紅外測試系統(tǒng)進行觀測，如圖 2所示，其中淺灰色區(qū)域代表成功鍵合的部分。由此可見，硅片成功鍵 合在一起，界面沒有明顯顆粒，獲得了較大的鍵合率。對鍵合成功后的硅片進行單軸拉伸測試實驗，測出硅片的鍵合強度 為10.3Mpa,鍵合強度較高，證明獲得了較大的鍵合強度。對拉伸實驗后的硅片斷裂界面進行觀察，如圖3所示?？梢姸滩ㄩL 光光照3分鐘后進行鍵合的硅片經(jīng)單軸拉伸測試儀拉斷后，界面十分粗糙，斷裂出現(xiàn)在體硅部分，鍵合中間界面沒有被拉開，證明獲得了較大 的鍵合強度。為了進一步觀察鍵合界面過渡層，對試樣進行了FSEM測試，為此 采用10%HF溶液腐蝕鍵合界面約1分鐘，在FSEM下觀察鍵合截面。 圖4為短波長光光照射3分鐘后鍵合硅片的界面形貌，其中間過渡層很 窄，厚度僅為131nm，表明鍵合界面非常緊密，鍵合質(zhì)量比較好。1、 清洗樣片將待鍵合樣片浸泡于丙酮(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)99.5%)中， 超聲清洗3分鐘，再置于HF溶液(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)1%)中超聲清洗20分 鐘，然后在硫酸與雙氧水溶液(質(zhì)量比為H2S04: H20: H202=5.5: 2.5: 1)中在13(TC下煮沸20分鐘；2、 氧化性氨溶液活化將硅片置于氧化性氨溶液(質(zhì)量比NH40H: H2O:H2O2=0.7: 19: 1)中浸泡10分鐘，控制溫度在70。C;3、 短波長光光照活化將待鍵合樣片甩干后，使用短波長光活化，短波長光包括波長254nm和185nm的兩種紫外光，照射光強為15 mW/cm2，活化樣片3分鐘；4、 圓片預(yù)鍵合將活化后的硅片甩干后，快速貼合，使之預(yù)鍵合;5、 退火使用迫火爐在35(TC下退火20小時。實施例3:1、清洗樣片將待鍵合樣片浸泡于丙酮(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)99.5%)中， 超聲清洗20分鐘，再置于HF溶液(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)20%)中超聲清洗3 分鐘，然后在硫酸與雙氧水溶液(質(zhì)量比為H2S04: H20: H202=5.5: 2.5: 1)中在130"C下煮沸20分鐘；2、 氧化性氨溶液活化將硅片置于氧化性氨溶液(質(zhì)量比NH40H: H2O:H2O2=0.7: 19: 1)中浸泡10分鐘，控制溫度在70。C;3、 短波長光光照活化將待鍵合樣片甩干后，使用短波長光活化，短波長光包括波長254nm和185nm的兩種紫外光，照射光強為15 mW/cm2，活化樣片3分鐘；4、 圓片預(yù)鍵合將活化后的硅片甩干后，快速貼合，使之預(yù)鍵合;5、 退火使用退火爐在350'C下退火20小時。實施例4:1、 清洗樣片將待鍵合樣片浸泡于丙酮(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)99.5%)中， 超聲清洗5分鐘，再置于HF溶液(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)5%)中超聲清洗5分鐘，然后在硫酸與雙氧水溶液(質(zhì)量比為H2S04: H20: H202=22: 2.8:1)中在13(TC下煮沸20分鐘；2、 氧化性氨溶液活化將硅片置于氧化性氨溶液(質(zhì)量比NH40H: H20:H202=1: 15: 1)中浸泡10分鐘，控制溫度在7(TC;3、 短波長光光照活化將待鍵合樣片甩干后，使用短波長光活化, 短波長光包括波長254nm和185nm的兩種紫外光，照射光強為15 mW/cm2，活化樣片3分鐘;4、 圓片預(yù)鍵合將活化后的硅片甩干后，快速貼合，使之預(yù)鍵合;5、 退火使用退火爐在350'C下退火20小時。實施例5:1、清洗樣片將待鍵合樣片浸泡于丙酮(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)99.5%)中，超聲清洗5分鐘，再置于HF溶液(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)5%)中超聲清洗5分鐘，然后在硫酸與雙氧水溶液(質(zhì)量比為H2S04: H20: H2O2=10: 2.6:1)中在130。C下煮沸20分鐘；2、 氧化性氨溶液活化:將硅片置于氧化性氨溶90液(質(zhì)量比NH4OH: H20:H202=2.1: 37: 1)中浸泡10分鐘，控制溫度在70。C;3、 短波長光光照活化將待鍵合樣片甩干后，使用短波長光活化，短波長光包括波長254nm和185nm的兩種紫外光，照射光強為15 mW/cm2，活化樣片3分鐘；4、 圓片預(yù)鍵合將活化后的硅片甩干后，快速貼合，使之預(yù)鍵合；5、 退火使用退火爐在25(TC下退火IO小時。實施例6:1、 清洗樣片將待鍵合樣片浸泡于丙酮(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)99.5%)中， 超聲清洗5分鐘，再置于HF溶液(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)5%)中超聲清洗5分 鐘，然后在硫酸與雙氧水溶液(質(zhì)量比為H2S04: H20: H202=5.5: 2.5: 1)中在130'C下煮沸20分鐘；2、 氧化性氨溶液活化將硅片置于氧化性氨溶液(質(zhì)量比NH40H: H2O:H2O2=0.7: 19: 1)中浸泡10分鐘，控制溫度在7(TC;3、 短波長光光照活化將待鍵合樣片甩干后，使用短波長光(波長400nm)活化，照射光強為5 mW/cm2，活化樣片30分鐘；4、 圓片預(yù)鍵合將活化后的硅片甩千后，快速貼合，使之預(yù)鍵合；5、 退火使用退火爐在30(TC下退火15小時。實施例7:1、 清洗樣片將待鍵合樣片浸泡于丙酮(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)99.5%)中， 超聲清洗5分鐘，再置于HF溶液(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)5%)中超聲清洗5分鐘，然后在硫酸與雙氧水溶液(質(zhì)量比為H2S04: H20: H202=5.5: 2.5:1)中在13(TC下煮沸20分鐘；2、 氧化性氨溶液活化將硅片置于氧化性氨溶液(質(zhì)量比NH40H:H2O:H2O2=0.7: 19: 1)中浸泡10分鐘，控制溫度在70。C;3、 短波長光光照活化將待鍵合樣片甩干后，使用短波長光(波長100nm)活化，照射光強為30mW/cm2，活化樣片0.5分鐘；4、 圓片預(yù)鍵合將活化后的硅片甩干后，快速貼合，使之預(yù)鍵合；5、 退火使用退火爐在100'C下退火20小時。實施例8:1、 清洗樣片將待鍵合樣片浸泡于丙酮(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)99.5%)中， 超聲清洗5分鐘，再置于HF溶液(質(zhì)量百分?jǐn)?shù)5%)中超聲清洗5分鐘，然后在硫酸與雙氧水溶液(質(zhì)量比為H2S04: H20: H202=5.5: 2.5:1)中在13(TC下煮沸20分鐘；2、 氧化性氨溶液活化將硅片置于氧化性氨溶液(質(zhì)量比NH40H: H20: H2O2=0.7: 19: 1)中浸泡10分鐘，控制溫度在70。C;3、 短波長光光照活化將待鍵合樣片甩干后，使用短波長光活化， 短波長光包括波長254nm和185nm的兩種紫外光，照射光強為15 mW/cm2，活化樣片3分鐘；4、 圓片預(yù)鍵合將活化后的硅片甩干后，快速貼合，使之預(yù)鍵合；5、 退火使用退火爐在40(TC下退火5小時。
權(quán)利要求
1.一種短波長輔助低溫硅片直接鍵合方法，其步驟包括(1)將待鍵合的硅片進行清洗；(2)將清洗后的硅片進行氧化性氨溶液活化，活化后取出；(3)將氧化性氨溶液活化后的硅片用短波長光繼續(xù)輔助活化，活化后取出；(4)將短波長光輔助活化后的硅片甩干，快速貼合，使之預(yù)鍵合；(5)進行加熱退火，使貼合后的硅片鍵合。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的短波長光輔助硅片直接鍵合方法，其特 征在于步驟(3)中，短波長光的波長范圍為100 400nm，短波長光 照射光強為5 30mW/cm2，活化時間為0.5 30分鐘。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的短波長光輔助硅片直接鍵合方法，其特 征在于步驟(2)中，活化時所采用的氧化性氨溶液為氨水、雙氧水 和去離子水的混合溶液，各組分質(zhì)量比NH4OH: H20: H2O2 = 0.7 2.1: 13 37: 1。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的短波長光輔助硅片直接鍵合方法，其特 征在于步驟(1)中，(1. 1)使用丙酮將待鍵合的硅片超聲清洗3 20分鐘；(1. 2)再使用氫氟酸溶液超聲清洗3 10分鐘，氫氟酸溶液質(zhì)量百分比為1% 20%;(1.3)然后在硫酸與雙氧水混合溶液中清冼，H2S04、 H20與H202 的質(zhì)量比為H2S04: H20: H202=5.5 22: 2.4 2.8: 1。
5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的短波長光輔助硅片直接鍵合方法，其特 征在于步驟(5)中，退火溫度100 400°C,退火時間5 30小時。
全文摘要
本發(fā)明屬于晶圓鍵合技術(shù)，為一種短波長光輔助硅片直接鍵合方法，其步驟包括①清洗；②氧化性氨溶液活化；③將硅片用短波長光繼續(xù)輔助活化，活化后取出；短波長光的波長范圍為100～400nm，短波長光照射光強為5～30mW/cm²，活化時間為0.5～30分鐘；④預(yù)鍵合；⑤退火。經(jīng)過短波長光輔助活化處理后的鍵合硅片對結(jié)合緊密，無需外壓力作用就能實現(xiàn)硅硅直接鍵合。本發(fā)明所需設(shè)備簡單，鍵合速度快，鍵合周期短，鍵合面積大，鍵合溫度低，且在鍵合強度及鍵合可靠性上具有明顯優(yōu)勢。
文檔編號H01L21/70GK101261931SQ20081004732
公開日2008年9月10日 申請日期2008年4月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年4月11日
發(fā)明者史鐵林, 廖廣蘭, 林曉輝, 湯自榮, 磊 聶, 馬滄海 申請人:華中科技大學(xué)