適用于基于晶圓鍵合的3D集成應(yīng)用的高效單晶圓清洗

引言

不同的微電子工藝需要非常干凈的表面以防止顆粒污染。其中，晶圓直接鍵合對顆粒清潔度的要求非常嚴格。直接晶圓鍵合包括通過簡單地將兩種材料的光滑且干凈的表面接觸來將兩種材料連接在一起（圖1）。在室溫和壓力下，兩種材料表面的分子/原子之間形成的范德華力會產(chǎn)生粘附力。

由于接觸的兩個表面是剛性的，被困在表面之間的顆粒會產(chǎn)生不接觸的區(qū)域（未粘合區(qū)域或空隙），從而降低產(chǎn)量。已知直徑為 1 μm的顆粒會產(chǎn)生鍵合缺陷（空隙）直徑約1厘米！為了防止這種情況發(fā)生，集成了由單個晶圓清潔工藝組成的典型工藝步驟。

圖1：直接晶圓鍵合工藝流程示意圖

由于上述原因，晶圓鍵合對基板清潔度要求非常嚴格。如果對于 CMP 后清潔工藝，傳入的晶圓將顯示數(shù)千或數(shù)十個顆粒水平通過清潔過程去除的顆粒數(shù)量減少到每個晶圓數(shù)百或數(shù)十個，在直接鍵合的情況下，成功可靠的晶圓鍵合所需的顆粒水平在每200毫米或300 毫米直徑晶圓少于10個顆粒的范圍內(nèi)（粒徑>0.12 μm）。

有了這樣的成功標準，這種新型清潔方法的效率還必須通過顆粒中性來鑒定。這里作為直接晶圓鍵合的應(yīng)用進行研究，MegPie工藝也可以進行微調(diào)，以滿足其他關(guān)鍵應(yīng)用（熱壓鍵合、外延、層沉積、光刻）的清潔和吞吐量要求。

實驗

英思特在實驗中使用了兩種不同型號的徑向均勻面積兆聲波換能器 MegPie（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。形狀和諧振器設(shè)計確保在旋轉(zhuǎn)基底的整個表面上均勻的聲學(xué)劑量，而無需掃描運動。持續(xù)監(jiān)控前向和反射射頻功率以及 PZT 晶體溫度，確保一致且可重復(fù)的聲學(xué)處理條件。

a b

圖2：基于MegPie換能器的單晶圓清洗系統(tǒng):a.原理圖設(shè)置b.集成在生產(chǎn)晶圓鍵合機上的V3 MegPie模型示例

結(jié)論

在許多關(guān)鍵的清潔步驟中，晶圓級鍵合需要無顆粒的表面以實現(xiàn)無缺陷的鍵合。這一要求要求在鍵合工藝步驟之前進行單晶片清潔步驟，該步驟能夠去除剩余的少量顆粒，同時不添加任何額外的顆?；蚪饘匐x子污染物。

過去，清潔步驟是通過刷子擦洗、兆頻超聲波噴嘴或矩形兆頻超聲波區(qū)域換能器進行的。使用這些標準清潔方法可能不足以滿足鍵合應(yīng)用的要求，因為存在晶圓間交叉污染或接觸活性表面的風險，均勻性相對較差（噴嘴清潔涉及使用幾毫米的水流掃描晶圓），甚至由于不均勻地暴露于聲波（例如對于矩形換能器）而引起表面下缺陷。

帶有單晶藍寶石諧振器的大面積 V3 MegPie在單晶圓預(yù)鍵合清潔站中實現(xiàn)，可實現(xiàn)高顆粒去除效率，并且不添加顆粒（顆粒中性）。該換能器的專有設(shè)計確保了非接觸式清潔，并且整個晶圓上的聲能徑向均勻性非常高。

使用清潔化學(xué)品（例如稀釋的 NH4OH）可以增強清潔效果。MegPie傳感器已被證明是顆粒中性的，并且能夠顯示出高PRE結(jié)果。

審核編輯：湯梓紅