[发明专利]键合装置以及键合方法

说明书

本发明公开一种键合装置以及键合方法，其能够将基板与键合对象(管芯或基板)键合时，避免基板与键合对象之间的键合界面的气体捕集现象的同时，通过阳极键合有效使得基板与键合对象键合。根据本发明实施例的键合方法，其在第一基板上键合包括管芯或第二基板的键合对象，包括：通过从一个或多个等离子体装置的各个等离子体尖端，在要键合所述键合对象的所述第一基板上的键合区域中产生等离子体来对所述键合区域进行亲水化；在所述第一基板上的已被亲水化的键合区域上配置所述键合对象，并使所述等离子体尖端接触于所述键合对象的上部面；以及通过在与所述第一基板的下部面接触的第一电极与设置于所述等离子体尖端的第二电极之间施加电压的阳极键合热处理，在所述第一基板上键合所述键合对象。

技术领域

本发明涉及一种键合装置以及键合方法，更具体地，涉及一种可以在不使用包括粘附膜(adhesion film)与焊料凸块(solder bump)的键合介质的情况下，将管芯键合到基板上或将基板键合到基板上的键合装置以及键合方法。

背景技术

近年来，随着半导体器件的集成度提升已趋近极限，三维堆叠半导体器件的3D封装技术吸引了人们的关注。代表性地，正在研究使用硅通孔(TSV；Through Silicon Via)来进行3D集成电路商业化的技术。3D半导体可以通过堆叠键合TSV管芯的管芯键合工艺来制造。

图1至图3为示出以往的管芯键合工艺的图。参考图1，为了将TSV管芯(die)3键合到主晶圆(master wafer)1上，TSV芯片3a的下部键合面设置有作为键合介质的粘附膜(adhesion film)3b与焊料凸块(solder bump)3c。设置有粘附膜3b与焊料凸块3c的TSV管芯3通过键合头4被移送到主晶圆1的上部，对准到键合位置之后，将其放置于主晶圆1的上部面或键合到主晶圆1上的TSV管芯(2)的上部面。

TSV管芯3的键合工艺包括预键合(pre bonding)工艺与主键合(post bonding)工艺。参考图2，通过预键合工艺，将TSV管芯3首次键合到主晶圆1上，该预键合工艺通过键合头4在主晶圆1上对TSV管芯3进行加压以及升温。为了TSV管芯3的预键合，键合头4具有用于在主晶圆1上，对TSV管芯3进行加压以及升温的工具。若TSV管芯3预键合到主晶圆1上，则进行主键合工艺，其在高温下对TSV管芯3进行热处理以及加压以固化粘附膜3b与焊料凸块3c，将TSV管芯3通过热压完全键合到主晶圆1上，该热压将粘附膜3b与焊料凸块3c作为介质。

参考图3，TSV管芯2、3、4一个一个依次经过堆叠、预键合以及主键合过程，从而一个一个键合到主晶圆1上。以往的管芯键合方法必须经历主键合工艺，其中，每次将管芯一个一个键合时，使用键合头4对管芯进行加压和加热，并且通过高温热处理对管芯进行热封。因此，主键合工艺所需的时间与键合到主晶圆1的管芯的数量成比例地增加。

另外，随着TSV之间的间距，即I/O间距(pitch)逐渐变细，当为了完全键合已堆叠的TSV管芯而进行高温/高负载键合时，可能会发生不良，其焊料凸块被扫掠(sweep)且与周围的焊料凸块连接而导致短路。由此，很难使用键合介质。为了避免这种情况，需要将焊料凸块的大小制作得更小，这是因为有物理方面有局限性，不能作为完整的应对方案。另外，以往的管芯键合方法中，随着主晶圆与TSV芯片越来越薄，在高温/高负载的主键合工艺过程中，在TSV芯片与主晶圆上可能会发生裂纹等损坏。

在管芯的主键合工艺中，可以适用高温退火(annealing)方法，阳极键合(anodicbonding)方法等。阳极键合方法是通过使用具有2维平面形状的电极，在施加压力的同时对键合对象(管芯或基板)施加电压来进行主键合的方法。在阳极键合方法中，首先，基板与键合对象之间的键合界面中的键合对象的边缘部分被密封，从而产生气体被捕集在基板与键合对象的键合界面的气体捕集(gas-trapping)现象。这种气体捕集现象降低了键合界面的结合力，并可能成为半导体不良的原因。另外，在常压条件下进行阳极键合工艺时，会发生严重的气体捕集现象，因此，出现需要在真空(或低压)条件下进行阳极键合工艺，为此需要准备真空室等限制事项。

发明内容