基于晶圓鍵合的三維集成應(yīng)用中的高效單片清洗

本文描述了我們?nèi)A林科納單晶片超電子清洗方法的開發(fā)、測試和驗(yàn)證，該傳感器設(shè)計(jì)滿足極端顆粒中性、顆粒去除效率(PRE)和生產(chǎn)規(guī)模晶片粘合的可重復(fù)性要求，以及其他需要極低顆粒水平的應(yīng)用。不同的微電子過程需要在顆粒污染方面進(jìn)行非常清潔的表面處理，其中，直接晶片粘接在顆粒清潔度方面有非常積極的要求，直接的晶片鍵合包括通過簡單地使兩種材料光滑和干凈的表面接觸而將它們連接在一起（圖1）。

在室溫壓力和溫度下，兩種材料表面的分子/原子之間形成的范德華力會產(chǎn)生粘附，由于接觸的兩個(gè)表面是剛性的，被困在表面之間的粒子產(chǎn)生不接觸的區(qū)域（未粘合的區(qū)域或空隙），從而降低了產(chǎn)率，已知直徑為1微米的粒子會產(chǎn)生直徑為1cm的粘合缺陷，為了防止這種情況發(fā)生，集成了一個(gè)由單個(gè)晶片清洗過程組成的典型工藝步驟。

晶片粘接在襯底清潔度方面非常嚴(yán)格，如果對于CMP后清洗過程，傳入晶片將顯示數(shù)千或數(shù)萬的顆粒水平，通過清洗過程去除數(shù)百或數(shù)十個(gè)顆粒，如果直接粘合，成功和可靠的晶片粘合所需的顆粒水平范圍為200毫米/以下10個(gè)顆?；?00毫米直徑晶片（顆粒尺寸>0.12微米），有了這樣的成功標(biāo)準(zhǔn)，這種新型清潔方法的效率也必須通過粒子中性來確定。

在這些實(shí)驗(yàn)中使用了兩種不同的徑向均勻面積元電子傳感器模型（圖2），該換能器將聲能耦合到由基板和換能器面形成的流體填充間隙中，該形狀和諧振器的設(shè)計(jì)保證了在旋轉(zhuǎn)基板的整個(gè)表面上的均勻的聲學(xué)劑量，而沒有掃描運(yùn)動，持續(xù)監(jiān)測前向和反射射頻功率以及PZT晶體溫度，確保一致和可重復(fù)的聲學(xué)處理?xiàng)l件。

PFA涂層旨在提供一個(gè)無金屬的表面，同時(shí)確保與晶片清洗和蝕刻中使用的各種化學(xué)溶液的兼容性。當(dāng)應(yīng)用大電子能量時(shí)，PFA材料不是顆粒中性的，而PFA涂層本身實(shí)際上可以產(chǎn)生亞于100納米的顆粒，因此不能用于這種預(yù)結(jié)合清洗應(yīng)用，PFA涂層諧振器也被證明是非常敏感的，因?yàn)樗梢酝ㄟ^接觸硬物質(zhì)，例如一個(gè)破碎的晶圓碎片，在最好的情況下，材料的分?jǐn)?shù)或破壞將提供額外的顆粒來源，在最壞的情況下，將下面的金屬諧振器暴露在工藝流體中。

為了滿足直接晶片鍵合清洗的要求，研究了替代諧振器材料，由于石英的化學(xué)相容性有限和鄰近系統(tǒng)的壽命有限（侵蝕和點(diǎn)蝕），由于優(yōu)異的物理魯棒性和抗化學(xué)性，最終選擇了單晶藍(lán)寶石作為V3模型的諧振器，單晶藍(lán)寶石具有可控的諧振器厚度和晶體取向，也是一種高效的聲波導(dǎo)體，藍(lán)寶石也兼容共晶PZT到諧振器鍵的方法，消除了環(huán)氧/粘接的需要。

雖然顆粒去除效率(PRE)結(jié)果顯示了良好的標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用價(jià)值，但實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示產(chǎn)生了在100納米以下的顆粒，采用單晶藍(lán)寶石諧振器，并重新啟動測試。清潔的晶片被大小在50納米到200nm之間的氮化物顆粒污染，然后將晶圓加載到單個(gè)晶圓清洗站，本實(shí)驗(yàn)測量的最小粒徑為0.09微米，隨后的SP2分析顯示均勻去除，PRE值>為95%，通常>為100%。

在許多關(guān)鍵的清洗步驟中，晶片尺度鍵合需要一個(gè)無粒子表面來形成無缺陷鍵，這一要求規(guī)定了在結(jié)合工藝步驟之前的最后一個(gè)單晶片清洗步驟，該步驟能夠去除剩余的少數(shù)顆粒，同時(shí)不添加任何額外的顆?；蚪饘匐x子污染。

最后的清洗步驟是在過去通過刷洗、大型噴嘴或矩形大型區(qū)域傳感器來完成的，由于晶片間存在交叉污染或接觸活性表面的風(fēng)險(xiǎn)，均勻性相對較差的風(fēng)險(xiǎn)（噴嘴清洗涉及直徑為幾毫米的水流掃描晶片），甚至由于聲波（例如矩形換能器）而導(dǎo)致地下缺陷，在單晶片預(yù)鍵清洗站中實(shí)現(xiàn)，提供了高顆粒去除效率，并不加顆粒添加（顆粒中性），這種傳感器的專有設(shè)計(jì)確保了跨晶片的徑向均勻性的非接觸清洗，使用清洗化學(xué)物質(zhì)（例如稀釋的氫氧化銨）可以提高清洗效果。

審核編輯：符乾江