專利名稱：利用溫度改變不同熱膨脹系數(shù)材料的晶片鍵合的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別是指一種利用溫度改變不同熱膨脹系數(shù)材料的晶片鍵合的方法，該方法適用于實(shí)現(xiàn)III-V族材料以及Si-III-V族這樣不同材料之間的鍵合。
背景技術(shù)：
兩個(gè)表面平整潔凈的晶片在一定的條件下可以通過(guò)表面的化學(xué)鍵相互結(jié)合起來(lái)，而不受兩種晶片材料的晶格、晶向的限制，這就是晶片鍵合技術(shù)。利用鍵合技術(shù)組合新結(jié)構(gòu)材料有極大的自由度，所以被廣泛地應(yīng)用于微電子電路、傳感器、功率器件、微機(jī)械加工、光電子器件、絕緣性硅晶片(SOI)等領(lǐng)域。晶片鍵合技術(shù)已經(jīng)成為一種可以用來(lái)制作很多重要光電子器件的技術(shù)。但是在進(jìn)行不同材料的晶片鍵合的時(shí)候，由于材料的熱膨脹系數(shù)不同，因此如果加熱溫度一樣的話，熱膨脹引起的晶格失配會(huì)對(duì)鍵合的晶片質(zhì)量有影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種實(shí)現(xiàn)變溫晶片鍵合的方法，鍵合夾具兩邊具有分別加熱的裝置，可以使晶片對(duì)實(shí)現(xiàn)不同的溫度加熱，從而減小熱膨脹系數(shù)不同對(duì)晶片鍵合的影響。
本發(fā)明是一種利用溫度改變不同熱膨脹系數(shù)材料的晶片鍵合的方法，其特征在于，包括如下步驟a)將晶片進(jìn)行表面處理；b)將表面處理后的晶片固定在帶有附加加熱裝置的鍵合夾具中，放入密閉石英腔體中抽真空；c)把裝有鍵合夾具及晶片的石英腔體放入液相外延爐中加熱進(jìn)行鍵合。
其中表面處理包括濕化學(xué)清洗或干法表面處理。
其中石英腔體放入液相外延爐中加熱的溫度為450-550℃。
其中密閉石英腔體中抽真空的真空度至10-5Pa。
本發(fā)明的鍵合夾具帶有一個(gè)附加的加熱裝置，可以使上下晶片對(duì)實(shí)現(xiàn)不同的溫度加熱，從而減小熱膨脹系數(shù)不同對(duì)晶片鍵合的影響。在晶片鍵合過(guò)程中，鍵合界面的質(zhì)量直接影響著集成器件的性能，兒鍵合界面質(zhì)量又是由壓力、溫度、氣體氛圍所決定的。對(duì)于熱失配較大的異質(zhì)材料在預(yù)鍵合之后在高溫退火處理過(guò)程中，材料間不同的熱膨脹系數(shù)回產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，從而在鍵合界面產(chǎn)生缺陷和位錯(cuò)，甚至?xí)苯佑绊懙侥芊矜I合成功。因此使用附加的加熱裝置來(lái)減小由于熱膨脹系數(shù)不同對(duì)實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的晶片鍵合具有十分重要的意義。


為進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，以下結(jié)合實(shí)例及附圖，詳細(xì)說(shuō)明如下，其中圖1是本發(fā)明利用液相外延爐實(shí)現(xiàn)鍵合的設(shè)備連接圖；圖2是進(jìn)行晶片固定及加壓的鍵合夾具示意圖；圖3是GaAs-GaAs鍵合晶片對(duì)紅外透射圖像；圖4是InP-InP鍵合晶片對(duì)紅外透射圖像；圖5是InP-Si鍵合晶片對(duì)紅外透射圖像。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明利用密封石英玻璃管提供局域高真空實(shí)現(xiàn)晶片鍵合的設(shè)備連接方式如圖1所示將經(jīng)過(guò)清洗的晶片通過(guò)去離子水和超聲波多次清除。將清洗處理好的樣片通過(guò)一定壓力緊貼在一起，然后在真空或者氮?dú)?、氫氣的保護(hù)下加熱，通過(guò)控制附加的加熱裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)上下晶片的溫度差異。本發(fā)明是一利用密封石英玻璃管提供局域高真空實(shí)現(xiàn)晶片鍵合的方法，包括如下步驟a)晶片的清洗與表面處理；b)將所需晶片固定在帶有附加加熱裝置的鍵合夾具中，放入密閉石英腔體中抽真空至10-5Pa，c)把裝有鍵合夾具及晶片的石英腔體放入加熱至所需溫度的液相外延爐進(jìn)行鍵合。晶片鍵合的樣品處理前期準(zhǔn)備工作包括清洗一去除有機(jī)玷污；溶解氧化層；去除顆粒金屬玷污同時(shí)使晶片的表面鈍化。所用的標(biāo)準(zhǔn)濕化學(xué)處理的配方有以下幾種
硫酸H2SO4∶H2O2(2∶1 to 4∶1)T＝120-140℃，t＝10min，用來(lái)去除有機(jī)物玷污；或者H2SO4∶H2O＝4∶1 T＝120-140℃，t＝10min，用來(lái)去除有機(jī)物玷污；RCA1溶液(有時(shí)也稱為SC1或者SE1)NH4OH∶H2O2∶H2O(1∶1∶5)，T＝50-80℃，t＝10min，用來(lái)去除有機(jī)玷污和雜質(zhì)顆粒；RCA2溶液(有時(shí)也稱為SC2或者SE2)NH4OH∶H2O2∶H2O(1∶1∶6)，T＝50-80℃，t＝10min，用來(lái)去除無(wú)機(jī)的離子玷污；稀釋的HF浸蘸，約為1％-5％，用來(lái)去除氧化物；稀釋的硫化物溶液(例如硫脲溶液、二硫化硒/四氯化碳混和液)，用來(lái)進(jìn)行晶片表面改性；或者通過(guò)等離子體對(duì)晶片表面進(jìn)行轟擊，實(shí)現(xiàn)晶片表面的活化。
將經(jīng)過(guò)如上清洗的晶片通過(guò)去離子水和超聲波多次清除，在同時(shí)用兆聲波和循環(huán)的去離子水作用時(shí)，晶片本身自轉(zhuǎn)以甩去帶有雜質(zhì)顆粒的去離子水；此外，還可以通過(guò)等離子體對(duì)晶片表面進(jìn)行轟擊，實(shí)現(xiàn)晶片表面的活化。
如圖2所示的帶有附加加熱裝置的鍵合夾具21，是不銹鋼夾具，為一帶有固定螺栓22的上下蓋板23組成，蓋板中帶有提供附加加熱功能的加熱鉬片24，下蓋板的底面有一排平行的定位槽25，對(duì)將要進(jìn)行鍵合的晶片對(duì)26的位置進(jìn)行定位之后，通過(guò)盒體兩側(cè)的四個(gè)固定螺栓進(jìn)行固定及加壓以及調(diào)平，通過(guò)加熱鉬片進(jìn)行加熱，通過(guò)控制上下鉬片的加熱電流實(shí)現(xiàn)上下晶片對(duì)的溫度差，從而在整體腔室加熱的大環(huán)境中，實(shí)現(xiàn)對(duì)上下晶片對(duì)的變溫加熱。
將清洗處理好的樣片晶片組放入鍵合夾具21中，位于夾具上下蓋板23之間，通過(guò)定位槽25進(jìn)行晶片的粗定位，通過(guò)固定螺栓22實(shí)現(xiàn)晶片的加壓固定，同過(guò)上加熱鉬片24實(shí)現(xiàn)附加的加熱作用；然后放入清洗干凈的高純石英玻璃管11中(如圖1所示)。放入高純石英玻璃管11中后，將石英玻璃管11接在真空機(jī)組上抽真空至10-3l～0-5Pa，用氫氧焰將保持高真空的石英玻璃管11的敞口封住。然后，將裝有鍵合夾具21和晶片鍵合對(duì)26的石英玻璃管11放入溫度已穩(wěn)定的液相外延爐的內(nèi)腔12中加熱所需時(shí)間進(jìn)行鍵合。最后將石英玻璃管11取出，用玻璃刀切開石英玻璃管11，取出鍵合夾具21，將鍵合好的晶片16取出進(jìn)行測(cè)試，用粘膠拉升法測(cè)試鍵合強(qiáng)度，用I-V測(cè)試法表征鍵合界面的狀態(tài)。
本發(fā)明中，通過(guò)抽真空系統(tǒng)，簡(jiǎn)單的為晶片鍵合提供了一個(gè)高真空環(huán)境，通過(guò)使用鍵合夾具為晶片鍵合提供了所需的壓力，通過(guò)附加的上加壓加熱板實(shí)現(xiàn)增壓及變溫加熱作用；通過(guò)將裝有鍵合晶片的鍵合夾具放入石英管中抽真空然后用氫氧焰封住的方法，為加壓的鍵合晶片提供了鍵合所需的真空環(huán)境；本發(fā)明是中一利用密封石英玻璃管提供局域高真空，通過(guò)附加的加熱裝置在液相外延爐整體加熱的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)變溫晶片鍵合的方法，包括如下步驟a)對(duì)晶片進(jìn)行清洗與表面處理；b)將所需鍵合的晶片固定在鍵合夾具中，通過(guò)置于下蓋板的定位槽實(shí)現(xiàn)晶片對(duì)的初對(duì)準(zhǔn)；通過(guò)附加的加壓加熱裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)加壓，以及上下晶片對(duì)的溫度差；c)把高純石英玻璃管內(nèi)腔抽真空，將保持高真空的石英玻璃管用氫氧焰密封好；d)在液相外延爐體中鍵合夾具所處的位置，放入鎳鉻鎳硅熱電耦探頭，對(duì)鍵合溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)；e)把裝有鍵合夾具和晶片的石英玻璃管放入液相外延爐體中，加熱，以使晶片鍵合，在整體加熱的同時(shí)，利用附加的上加熱板來(lái)改變上下晶片對(duì)的溫度差別；實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖3/圖4和圖5分別為通過(guò)該方法實(shí)現(xiàn)鍵合的GaAs-GaAs晶片對(duì)，InP-InP晶片對(duì)和InP-Si晶片對(duì)的紅外透射圖像，結(jié)果表明該方法可以較好的實(shí)現(xiàn)晶片之間的鍵合，沒(méi)有出現(xiàn)因?yàn)闊崾溥^(guò)大造成的晶片的翹曲和無(wú)法鍵合的情況。
權(quán)利要求
1.一種利用溫度改變不同熱膨脹系數(shù)材料的晶片鍵合的方法，其特征在于，包括如下步驟a)將晶片進(jìn)行表面處理；b)將表面處理后的晶片固定在帶有附加加熱裝置的鍵合夾具中，放入密閉石英腔體中抽真空；c)把裝有鍵合夾具及晶片的石英腔體放入液相外延爐中加熱進(jìn)行鍵合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用溫度改變不同熱膨脹系數(shù)材料的晶片鍵合的方法，其特征在于，其中表面處理包括濕化學(xué)清洗或干法表面處理。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用溫度改變不同熱膨脹系數(shù)材料的晶片鍵合的方法，其特征在于，其中石英腔體放入液相外延爐中加熱的溫度為450-550℃。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用溫度改變不同熱膨脹系數(shù)材料的晶片鍵合的方法，其特征在于，其中密閉石英腔體中抽真空的真空度至10-5Pa。
全文摘要
一種利用溫度改變不同熱膨脹系數(shù)材料的晶片鍵合的方法，其特征在于，包括如下步驟a)將晶片進(jìn)行清洗與表面處理；b)將清洗及表面處理后的晶片固定在帶有附加加熱裝置的鍵合夾具中，放入密閉石英腔體中抽真空；c)把裝有鍵合夾具及晶片的石英腔體放入液相外延爐中加熱進(jìn)行鍵合。通過(guò)夾具上或者下半部分的單獨(dú)的加熱來(lái)實(shí)現(xiàn)不同晶片的溫度差，以改變熱膨脹系數(shù)不同對(duì)晶片鍵合的影響。
文檔編號(hào)H01L21/02GK1949454SQ20051010933
公開日2007年4月18日 申請(qǐng)日期2005年10月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年10月13日
發(fā)明者楊國(guó)華, 何國(guó)榮, 宋國(guó)鋒, 石巖, 鄭婉華, 陳良惠 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所