一种晶圆临时键合方法与流程

本发明属于半导体制作技术领域，尤其涉及一种晶圆临时键合方法。

背景技术：

随着半导体新品对各种元器件集成度和功能的要求越来越高，传统的二维集成电路已经难以满足需求，因此，新的技术，三维集成电路(3DIC)应运而生，其主要原理就是通过将晶圆和晶圆(Wafer to Wafer)或芯片和晶圆(Chip to Wafer)上下层层堆叠的方式来提高芯片或各种电子元器件的集成度。在3DIC工艺中，需要对晶圆进行减薄，一是为了减少封装厚度，二是通过减薄来暴露出用于链接上下两晶圆的通孔(Via)金属塞。

但超薄器件的晶圆，由于其机械强度的降低以及翘曲度或弯曲度的增加，普通的半导体设备几乎难以完成支撑和传输动作，碎片率非常高。为了解决这种薄晶圆的支撑和传输问题，业界通常采用临时键合的工艺方法，其主要原理就是将晶圆临时键合在一直径相仿的载片上，利用该载片来实现对薄晶圆的支撑和传输，同时可以防止薄晶圆变形，在完成晶圆背面工艺后再将载片从薄晶圆上解离。

但现有技术中的晶圆临时键合工艺步骤繁琐，容易造成晶圆翘曲。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种晶圆临时键合方法，以解决现有技术中圆键合工艺步骤繁琐，容易造成晶圆翘曲的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种晶圆临时键合方法，包括：

提供并清洗器件晶圆和载片；

在所述载片和/或所述器件晶圆上滴液体；

利用所述液体的表面张力将所述载片和所述器件晶圆形成键合体；

对所述键合体中的器件晶圆进行背面工艺处理；

将所述载片与所述器件晶圆解键合。

优选地，所述液体为去离子水。

优选地，所述去离子水的量为0.05mL-0.1mL，包括端点值。

优选地，所述在所述载片和/或所述器件晶圆上滴液体具体包括：

采用吸管吸取去离子水；

在所述载片和/或所述器件晶圆的中心位置滴所述去离子水。

优选地，所述利用所述液体的表面张力将所述载片和所述器件晶圆形成键合体具体包括：

将所述器件晶圆安放到所述载片上，并调整所述器件晶圆的位置；

采用平板镊子在所述器件晶圆的表面均匀朝向所述载片施加压力，以调节所述器件晶圆的表面平整度。

优选地，所述将所述载片与所述器件晶圆解键合具体包括：

采用气体枪对所述键合体边缘吹，使得所述载片与所述器件晶圆分离。

优选地，所述气体枪中的气体为惰性气体、氮气或惰性气体与氮气的混合气体。

优选地，所述晶圆为硅片、锗片、绝缘体上硅或GaAs晶片。

优选地，所述载片材料为玻璃、蓝宝石或硅中的任意一种。

经由上述的技术方案可知，本发明提供的晶圆临时键合方法，利用液体的表面张力效应直接将器件晶圆和载片临时键合在一起，不需要高温处理或烘干等工艺，从而减少了晶圆临时键合的工艺步骤，同时能够避免高温处理或烘干工艺对晶圆造成的翘曲，降低了晶圆翘曲的风险。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种晶圆临时键合方法流程图；

图2为本发明实施例提供的晶圆临时键合方法示意图；

图3为液体液面分子受力情况示意图；

图4为表面张力形成临时键合的原理示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

现有技术中典型的临时键合工艺流程为：将承载晶圆和/或器件晶圆旋转涂覆一层键合粘合剂，然后将两块晶圆转移至键合腔，并置于键合腔中央，提高温度后，在真空中进行键合。临时键合后，对器件晶圆进行背面加工，如减薄、蚀刻等，然后将器件晶圆从承载晶圆上剥离下来。该过程称为黏着键合。由于现有临时键合过程中，需要经过高温处理，经过高温处理过的晶圆会有不同程度的翘曲，晶圆翘曲度会直接影响到晶圆键合的质量，以及后续工艺质量。

基于此，本发明提供一种晶圆临时键合方法，如图1所示，为本发明实施例提供的一种晶圆临时键合方法流程图；同时参见图2，图2为本发明实施例提供的晶圆临时键合方法示意图；其中图中标号释义为：1、载片；2、器件晶圆；3、液体；4、气体枪。如图1所示，所述晶圆临时键合方法包括：

步骤S101：提供并清洗器件晶圆和载片；

需要说明的是，本发明实施例中器件晶圆2为完成正面工艺的晶圆。本实施例中对器件晶圆2的表面材料不做限定，可以为半导体晶圆中的硅片、锗片、SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘体上硅)或GaAs晶片，本实施例中对此不做限定；另外，本发明实施例中对器件晶圆2的键合面的平坦性也没有要求，器件晶圆2的表面可以是抛光面，也可以是非抛光面，还可以是经过现有技术中的常规工艺处理过的表面。本发明实施例中可选的，所述器件晶圆为4英寸(110)晶面的双抛硅晶圆片，且正面涂有光刻胶SPR 955，涂胶的主转速为3000转/分钟，胶厚约600nm。

本发明实施例中对载片的材料也不做限定，可以是玻璃、蓝宝石或硅中的任意一种，在本发明其他实施例中，所述载片还可以是其他材质的，只要能够与器件晶圆2之间通过液体的表面张力形成临时键合体即可。

由于载片1对器件晶圆2起到承载作用，本实施例中可选的，当载片与器件晶圆均为圆形时，载片1的直径比器件晶圆2的直径大，从而使得器件晶圆2能够完全位于载片1上。可选的，针对器件晶圆2为4英寸晶圆时，载片1可选8英寸晶圆，本实施例中对此不做限定。

为保证顺利键合，本实施例中器件晶圆2和载片1均为清洗过的，可选的，先将器件晶圆2和载片1漂洗，再用去离子水进行清洗，用氮气吹干，最后放在烘箱中彻底烘干水分，保证载片1和器件晶圆2表面清洁干燥，以便于后续滴液体后，在液体的表面张力作用下形成键合体。

步骤S102：在所述载片和/或所述器件晶圆上滴液体；

需要说明的是，本实施例中不限定在载片上或在器件晶圆上滴液体，还可以同时在器件晶圆和载片上滴液体，实际操作时，可以依据需求进行选择，如当液体需求量较少时，可以采用在载片或器件晶圆上滴液体；当液体需求量较大时，可以优选同时在载片和器件晶圆上滴液体。

另外，本实施例中对液体3也不做限定，理论上只要液体3能够在载片1和器件晶圆上形成表面张力均可，本实施例中所述液体还可以优选为AMP-95(2-amino-2-methyl-1-propanol，2—氨基—2—甲基—1—丙醇)和AMP-95(10％)溶液，但由于其均呈强碱性，因此，只适用于有抗碱性材料覆盖的器件晶圆表面，例如器件晶圆表面覆盖有LPSiN薄膜时，可采用AMP-95溶液。

另外，为了避免对操作人员造成伤害，优选为对人体无毒无害的液体，现有的液体中，醚类易挥发、刺激操作人员的眼睛；乙二醇之类的液体有毒性，可致死。而半导体工艺中还有易获取的乙醇、丙酮等液体，虽无毒性，但由于表面张力小且容易挥发，因此，可选的，本实施例中采用易获取、无毒性挥发、化学稳定性和温度稳定性较高的去离子水，经过验证，去离子水的表面张力随温度变化几乎没有明显变化，非常稳定，极适合于载片1和器件晶圆2的临时键合。

需要说明的是，表面张力效应存在与液体的表面，当去离子水的量较大时，表面张力的作用相对于去离子水内部的水分子力较小，器件晶圆与载片之间不容易形成临时键合；而当去离子水的量较小时，表面张力较小，同样不足以在器件晶圆与载片之间形成临时键合，因此，本实施例中可选的，所述去离子水的量为0.05mL-0.1mL，包括端点值。

本实施例中滴液体时具体可以采用吸管吸取去离子水；在所述载片和/或所述器件晶圆的中心位置滴所述去离子水。需要说明的是，本实施例中不限定在器件晶圆和/或载片的中心位置还是靠近边缘的位置滴液体，为了加快键合速度，本实施例中优选的，在件晶圆和/或载片的中心位置滴液体，使得液体在器件晶圆和载片贴一起后，能够很快向四周扩散，形成薄层，使得器件晶圆和载片形成键合体。

步骤S103：利用所述液体的表面张力将所述载片和所述器件晶圆形成键合体；

本实施例中优选的，将器件晶圆2安放到载片1上后，采用平板镊子在所述器件晶圆的边缘表面均匀朝向所述载片施加压力，以调节所述器件晶圆的表面平整度，并调整器件晶圆2的位置，确定器件晶圆2与载片1的最终的相对位置。

本发明提供的晶圆临时键合方法的理论依据为日常生活中的液体表面张力现象，下面结合附图，说明一下本发明提供的晶圆临时键合方法的理论依据——液体表面张力现象。

液体表面张力的存在形成了一系列我们日常生活中可以观察到的特殊现象，例如：截面非常小的细管内的毛细现象、肥皂泡现象、液体与固体之间的浸润现象等。液体表面任意二相邻部分之间垂直于它们的单位长度分界线相互作用的拉力叫做表面张力。

分析液面分子的受力情况，如图3所示：以分子A为中心的球面中的一部分在液体中，另一部分在液面之外，这部分分子密度远小于液体部分的分子密度。如果忽略这部分分子对分子A的作用，则由于对称，CC'和BB'之间所有分子作用力的合力等于零；对分子A有效的作用力是由球面内BB'以下的全体分子产生的向下合力。由于处在边界内的每—个分子都受到指向液体内部的合力，所以这些分子都有向液体内部下降的趋势，同时分子与分子之间还有侧面的吸引力，即有尽量收缩表面的趋势。这种情况使流体的表面好像是蒙在一个表面积比它大的固体外面的弹性薄膜。

依据已有的研究资料，表面张力的大小以每厘米多少达因来表示。在室温下，大部分液体的表面张力在20达因/厘米40达因/厘米范围以内，但水的表面张力为72达因/厘米，因此，本发明实施例中优选为去离子水。

物理学对水的表面张力的阐述：由于存在相互吸引的氢键，为了保持最小能量，水分子需要形成最小的体积，当平静的水面受到外界扰动时，水分子的相互作用总是趋向于恢复到最小能量的结构。除非外界干扰物本身具有亲水性，此时水就象胶水一样黏附到物体上。

因此，当滴少量的去离子水在器件晶圆和载片之间时，在液体和器件晶圆接触的表面存在一个薄层，薄层里的分子比液体内部分子的分布稀疏，分子间的距离比液体内部要大，分子间的相互作用就表现为引力，那么需要键合的器件晶圆和载片就会由于去离子水的表面张力效应被拉近、贴合，“此时水就像胶水一样黏附到物体上”，形成临时键合，如图4所示。

基于去离子水的表面张力效应可知，本发明中采用去离子水替代了现有技术中的粘合剂，将器件晶圆和载片键合在一起，从而实现临时键合。

步骤S104：对所述键合体中的器件晶圆进行背面工艺处理；

需要说明的是，本实施例中对所述器件晶圆进行背面工艺处理不做限定，可以为光刻工艺，也可以为其他背面工艺。当所述背面工艺为光刻工艺时，优选的，将器件晶圆和载片形成的键合体转移到片架盒里，以便于机械手获取键合体；然后将键合体传送到光刻机进行曝光等处理。

需要说明的是，在光刻机曝光后，会有对晶圆表面测量信息的记录，通过将黏着键合和本发明实施例提供的晶圆临时键合方法得到的晶圆表面测量信息可知，本发明实施例中用去离子水替代黏合剂的方法使得键合后的晶圆界面更加平整，表明本发明实施例提供的晶圆临时键合方法可降低晶圆的翘曲度。

步骤S105：将所述载片与所述器件晶圆解键合；

本发明实施例中不限定将载片和器件晶圆解键合的具体工艺，可选的，请参见图2中所示，将所述载片与所述器件晶圆解键合具体包括：

采用气体枪4对键合体边缘吹，使得载片1与器件晶圆2分离。

此时，平板镊子即可插入载片1与器件晶圆2之间，并利用平板镊子取下器件晶圆，完成解键合。

需要说明的是，本实施例中不限定气体枪4中的气体，但为避免气体枪中的气体对器件晶圆上的结构造成氧化，可选的气体枪中的气体可选为惰性气体、氮气或惰性气体与氮气的混合气体。当在实验室中时，更加优选为随地可取的氮气枪。

综上可知，本发明提供的晶圆临时键合方法，利用液体的表面张力效应直接将器件晶圆和载片临时键合在一起，不需要高温处理或烘干等工艺，从而减少了晶圆临时键合的工艺步骤，同时能够避免高温处理或烘干工艺对晶圆造成的翘曲，降低了晶圆翘曲的风险。

另外，现有技术中黏着键合中聚合物或者是在室温下通过旋涂涂胶或喷涂胶的方法覆在晶圆表面，或者是直接一层干的薄膜，聚合物材料容易混入杂质，聚合物中的颗粒或厚度偏差都严重影响晶圆临时键合的质量。而且聚合物材料的使用，对环境，如温度、湿度等要求较高。从承载晶圆上剥离下来，随后进行残余物质清理，即去除粘合剂也具有很大的技术挑战和耗费较多的时间成本。

而本发明提供的晶圆临时键合方法采用液体尤其是去离子水替代聚合物，一方面，对键合环境要求较低，且省却了常规的旋转涂覆粘合剂的工艺步骤，降低了时间成本；另一方面，将载片和器件晶圆解键合时，可以采用气体枪吹的方式，无需耗费较多时间，也无需去除粘合剂等繁琐步骤，且去离子水的残留几乎没有，无需后续残余物质清理，进一步减少了晶圆临时键合的工艺步骤。

由于本发明实施例提供的晶圆临时键合方法的工艺步骤较少，且不需要特殊的设备和材料，从而方便易行，突破了设备的限制。

另外，去离子水相对于聚合物更加环保，对环境不造成污染。

需要说明的是，本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。