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鍵合是指將兩種同質(zhì)或者異質(zhì)材料緊密結(jié)合成一體的技術(shù),是一項(xiàng)必不可少的半導(dǎo)體工藝。低溫直接鍵合作為一種新興的晶圓鍵合工藝,其在半導(dǎo)體和MEMS行業(yè)中的作用正愈發(fā)重要。硅基材料低溫直接鍵合是將兩硅基晶圓直接貼合在一起,其鍵合界面在外界退火低溫的作用下發(fā)生物化反應(yīng)產(chǎn)生原子共價(jià)鍵,從而使兩晶圓接觸區(qū)域具有良好的機(jī)械性能和電子特性。得益于低溫直接鍵合技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn),其在集成封裝、器件制造和新材料制備等領(lǐng)域都有著十分重要的應(yīng)用前景。

低溫直接鍵合工藝主要包括清洗、活化、預(yù)鍵合和退火四步，良好的表面活化質(zhì)量是成功鍵合的關(guān)鍵。

硅基晶圓等離子體活化鍵合原理

等離子體活化即利用等離子體對(duì)硅基晶圓表面進(jìn)行活化處理,是為了提高其表面的活化能。采用干法等離子體活化進(jìn)行親水性晶圓鍵合的工藝流程大致都要經(jīng)過(guò)晶圓清洗、表面活化、室溫預(yù)鍵合,最后通過(guò)低溫退火實(shí)現(xiàn)兩晶圓的牢固鍵合。

等離子體是由正負(fù)粒子(其中包括正離子、負(fù)離子、電子、自由基和各種活性基團(tuán)等)組成的集合體,其中正電菏和負(fù)電菏的電量相等,故稱等離子體。隨著能量輸入的增加,物質(zhì)的狀態(tài)也會(huì)發(fā)生變化,從固態(tài)到液態(tài),再到氣態(tài)。如果采用放電的方式再向氣體中增加能量,氣體將會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)榈入x子體。常見(jiàn)的等離子體處理設(shè)備的工作原理如圖1所示,通過(guò)射頻電源對(duì)兩極板施加高頻的射頻電壓,使兩極板間產(chǎn)生交變電場(chǎng),腔室中的反應(yīng)氣體在高頻交變電場(chǎng)的作用下會(huì)生成等離子體。將待處理的物體放入反應(yīng)腔室中,其表面就會(huì)受到等離子體的轟擊作用,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物體表面的活化。采用等離子體處理設(shè)備對(duì)晶圓表面進(jìn)行活化處理時(shí),其活化效果將取決于氣體種類、氣體流量、射頻功率和工藝時(shí)間等參數(shù)。

圖一 等離子體處理設(shè)備工作原理圖

親水性干法等離子體活化通常采用O2作為反應(yīng)氣體,通過(guò)生成的氧等離子體對(duì)晶圓表面進(jìn)行高速轟擊,使得其表面原始氧化層的Si-O鍵斷裂并伴隨有輕微刻蝕,同時(shí)氧等離子體的輕微氧化作用會(huì)使得晶圓表面變得親水,從而更容易吸附-OH基團(tuán)。此外,氧等離子體還能夠通過(guò)與晶圓表面的有機(jī)物雜質(zhì)進(jìn)行反應(yīng)將其去除。

經(jīng)過(guò)等離子清洗和活化處理后的晶圓,其表面大量存在的-OH基團(tuán)很容易與空氣中的H2O分子相結(jié)合,當(dāng)兩晶圓相互貼合時(shí),其界面的H2O分子會(huì)形成H2O分子鏈將兩晶圓連接起來(lái)。同時(shí),兩晶圓會(huì)在表面范德華力和水分子間氫鍵的作用下發(fā)生自發(fā)鍵合。

圖二 硅基晶圓親水性表面活化鍵合機(jī)理

低溫退火是兩晶圓接觸界面形成牢固鍵合的必要條件。如圖2所示,室溫預(yù)鍵合的兩晶圓接觸表面能夠通過(guò)范德華力和水分子間氫鍵的作用自發(fā)地結(jié)合在一起,但是這種自發(fā)鍵合并不牢固。對(duì)預(yù)鍵合的晶圓進(jìn)行低溫退火,其表面懸掛的-OH基團(tuán)將會(huì)發(fā)生脫水縮合反應(yīng)并生成Si-O-Si共價(jià)鍵(反應(yīng)方程式見(jiàn)式(2-1)),從而使兩晶圓形成牢固的鍵合。

Si—OH+Si—OH→Si—O—Si+H2O（2-1）