一种基于预定位自补偿式对准的晶圆级混合键合方法与流程

本发明属于电子制造和封测，更具体地，涉及一种基于预定位自补偿式对准的晶圆级混合键合方法。

背景技术：

1、过去数十年微电子技术沿摩尔定律取得了突飞猛进的发展，芯片工艺的关键尺寸达到纳米级尺度时代，其互连集成度及功能性不断提高，目前单颗芯片上的互连凸点接近或已经超过1000个，传统的键合技术已不能满足芯片功能快速增加的需求。基于混合键合技术的三维集成方法开始被大规模应用。基于混合键合的晶圆级互连可以形成最短互连，降低电阻、电感等寄生效应，改善电性能；在互连中，充分利用了晶圆面积，缩小了键合尺寸；制程一致性高，易于良率管控；产品的可靠性可以得到保证。

2、在晶圆级混合键合方案中，通常存在高分子粘结胶时，在键合过程中，粘合剂为半流体状态，会发生交联反应，此时粘合剂具有优异的流动性能，键合压力的剪切分量极易造成晶圆的偏移，晶圆键合偏移值达到数十微米，偏移值导致无效互连，严重影响信号完整性与结构完整性；而晶圆级混合键合对凸点高度、凸点表面平整度也有极高的要求，尤其是采用光刻技术使凸点突出的待键合表面难以平整化，凸点高度设计及控制、键合参数的优化极为困难，常规基于粘合剂的混合键合高度控制影响键合强度和键合精度。另外，在晶圆级混合键合时，晶圆预对准要求极高，通常要小于±20μm，常规的晶圆预对准时间较长。

3、因此，如何降低预对准时间、控制凸点和粘合剂高度、控制晶圆级混合键合偏移值成为业界亟需解决的难题。

技术实现思路

1、针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于预定位自补偿式对准的晶圆级混合键合方法，旨在解决传统晶圆级混合键合工艺中晶圆级混合键合偏移大、预对准时间长、键合强度不高的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种基于预定位自补偿式对准的晶圆级混合键合方法，包括如下步骤：

3、（1）提供上层芯粒晶圆和下层晶圆，并在上层芯粒晶圆上制备cu+焊帽凸点结构，在下层晶圆中制备tsv结构，在下层晶圆上制备cu+焊块凸点结构；

4、（2）将上层芯粒晶圆裂片成上层芯粒后，在该上层芯粒上涂敷芯粒粘合剂至上层芯粒凸点周围并完全覆盖凸点结构，在下层晶圆上涂敷晶圆粘合剂至下层晶圆凸点周围并完全覆盖凸点结构；

5、（3）在芯粒粘合剂上使用芯粒粘合剂图形化纳米压印模具通过纳米压印技术进行图形化露出cu+焊帽凸点结构，形成该凸点结构与芯粒粘合剂之间正的高度差；在晶圆粘合剂上使用晶圆粘合剂图形化纳米压印模具通过纳米压印技术进行图形化制作预定位台阶并露出cu+焊帽凸点结构，形成该凸点结构与晶圆粘合剂之间负的高度差；其中，所述下层晶圆凸点结构的直径大于上层芯粒凸点结构的直径；

6、（4）将步骤（3）制备的上层芯粒倒装入晶圆粘合剂的凹槽结构内，并高速旋转下层晶圆，使上层芯粒在离心力的作用下紧贴于晶圆粘合剂台阶远端侧壁，完成上层芯粒与下层晶圆预定位；之后通过键合装置施加压力，使上层芯粒正的凸点突出与下层晶圆负的凸点凹陷自补偿式互相接触，同时使凸点周边的两粘合剂相互对准接触，形成稳定的预键合状态；

7、（5）将预键合的上层芯粒和下层晶圆回流键合处理，接着对键合后的所述上层芯粒和下层晶圆表面减薄至所需厚度，然后在所述下层晶圆底面制备再布线层。

8、本发明提供的基于预定位自补偿式对准的晶圆级混合键合方法，基于粘合剂图形化和凸点的混合键合，其中上层芯粒表面制备cu+焊帽凸点结构，经裂片后涂敷粘合剂并进行图形化压印和预固化，成型后的粘合剂高度低于凸点高度，形成正高度差；下层晶圆表面制备cu+焊块凸点结构后涂敷粘合剂并进行图形化压印和预固化，成型后的粘合剂形成预定位台阶且粘合剂高度高于凸点结构，形成负高度差；键合时通过下层晶圆高速旋转产生的离心力以及预制粘合剂台阶完成预定位，可实现上层芯粒的快速预定位；同时下层晶圆凸点结构直径大于上层芯粒凸点结构直径，可形成具有预定位自补偿对准功能的凸点键合方式，降低晶圆混合键合之间的偏移并增强粘合剂之间的键合，从而有效地提高键合的强度和可靠性。另外，本实施例通过纳米压印，可减少粘合剂图形化成型时间，提高键合工艺的效率。

9、在其中一个实施例中，所述cu+焊帽凸点结构中的焊帽高度为1～5μm；所述cu+焊块凸点结构中的焊块高度为1～5μm；所述上层芯粒凸点结构高出芯粒粘合剂尺寸为1～5μm；所述下层晶圆凸点结构低于晶圆粘合剂尺寸为1～5μm。

10、在其中一个实施例中，所述cu+焊帽凸点结构中的焊帽材料和cu+焊块凸点结构中的焊块材料均可采用ag/sn焊料sac305、sac307、sac405中的一种。

11、在其中一个实施例中，步骤（5）中，上层芯粒与下层晶圆键合回流处理分为先粘合剂键合和先凸点键合两种方式；

12、对于先粘合剂键合方式：首先升温至目标粘合剂键合温度的1/2～4/5，为100～150℃，进行热压键合，接着继续升温至目标键合温度，为180～220℃，保温时间大于0.5小时使之完全固化，最后进行回流处理凸点键合；

13、对于先凸点键合的方式：首先进行回流处理凸点键合，接着在粘合剂键合温度180～220℃下保温0.5小时以上烘烤使得芯粒粘合剂和晶圆粘合剂完全固化键合。

14、在其中一个实施例中，所述回流处理凸点键合的回流曲线采用阶梯式回流曲线，分为三个阶段：1）首先升温至预烘烤温度，为目标温度的1/5～1/3；2）预烘烤时施加键合压力为目标键合压力的1/5～1/2；3）继续升温至目标温度，目标温度为200～280℃，并在目标温度下施加目标键合压力，目标键合压力为1～20kn，键合时间大于0.1小时。

15、在其中一个实施例中，步骤（3）中，所述芯粒粘合剂图形化纳米压印模具的制备方法包括如下步骤：

16、准备第一纳米压印模具基板，对该基板表面进行抛光处理，保证基板表面粗糙度ra小于1nm，表面反射率大于90%，表面漫射率小于10%，表面接触角小于5°；

17、使用去离子水和有机溶剂等对基板表面进行清洗处理，去除表面的污垢和杂质，保持表面干燥和无尘；接着将光刻胶su-8通过旋涂法均匀地涂布在该基板表面上，保持涂敷厚度在2～10μm之间；之后将涂有su-8光刻胶的基板放入烘箱中，以约95℃的温度进行烘烤处理，持续20分钟左右，使光刻胶薄膜形成均匀的厚度；

18、将经过烘烤处理的基板放入紫外曝光机中，使用uv-365光源进行曝光，曝光时间20s；接着将曝光后的基板进行显影处理，使用su-8专用显影液将光刻胶表面未被曝光的部分溶解掉，控制显影温度为25℃，显影时间为5分钟，形成所需的纳米结构图案；

19、使用深反应离子刻蚀工艺对基板进行刻蚀，控制气体流量在5～20sccm之间，rf功率为500w，温度控制在-10到20℃，得到所需图形；

20、使用丙酮溶液进行su-8光刻胶的清洗去除，浸泡时间为20分钟，再使用去离子水冲洗3次，并用氮气吹干；接着使用抛光法对模具表面进行修整处理，保证表面粗糙度小于1nm；最后将修整后的模板放入去离子水中浸泡，超声波清洗10分钟，用去离子水洗净，并用氮气吹干。

21、在其中一个实施例中，所述第一纳米压印模具基板的材料采用硅、石英玻璃或陶瓷。

22、在其中一个实施例中，步骤（3）中，所述晶圆粘合剂图形化纳米压印模具的制备方法包括如下步骤：

23、准备第二纳米压印模具基板，对该基板表面进行抛光处理，保证基板表面粗糙度ra小于1nm，表面反射率大于90%，表面漫射率小于10%，表面接触角小于5°；

24、使用去离子水和有机溶剂等对基板表面进行清洗处理，去除表面的污垢和杂质，保持表面干燥和无尘；接着将光刻胶su-8通过旋涂法均匀地涂布在基板表面上，保持涂敷厚度在2～10μm之间；之后将涂有su-8光刻胶的基板放入烘箱中，以约95℃的温度进行烘烤处理，持续20分钟左右，使光刻胶薄膜形成均匀的厚度；

25、将经过烘烤处理的基板放入紫外曝光机中，使用uv-365光源进行曝光，曝光时间20s；接着将曝光后的基板进行显影处理，使用su-8专用显影液将光刻胶表面未被曝光的部分溶解掉，控制显影温度为25℃，显影时间为5分钟，形成所需的纳米结构图案1；

26、使用深反应离子刻蚀工艺对基板进行刻蚀，控制气体流量在5～20sccm之间，rf功率为1000w，温度控制在-10到20℃，得到所需图形1；然后使用丙酮溶液进行su-8光刻胶的清洗去除，浸泡时间为20分钟，再使用去离子水冲洗3次，并用氮气吹干；

27、重复上述步骤，完成二次光刻以及图形2刻蚀；再使用显微检查配合离子束刻蚀机对模具表面进行修整处理，保证表面粗糙度小于1nm；最后将修整后的模板放入去离子水中浸泡，超声波清洗10分钟，用去离子水洗净，并用氮气吹干。

28、在其中一个实施例中，所述第二纳米压印模具基板的材料采用硅、石英玻璃或陶瓷。

29、在其中一个实施例中，所述上层芯粒采用cpu芯粒、gpu芯粒、fpga芯粒、rf芯粒和i/o芯粒中的一种或多种组合；所述芯粒粘合剂和晶圆粘合剂均采用干膜、聚酰亚胺或bcb材料。