硅圓片等離子表面活化直接鍵合工藝研究

湖北工業大學機械工程學院 黃 蓉 聶 磊 文昌俊 余軍星

硅圓片等離子表面活化直接鍵合工藝研究

湖北工業大學機械工程學院 黃 蓉 聶 磊 文昌俊 余軍星

利用等離子轟擊硅圓片表面，可提高其表面能，實現直接鍵合。在嚴格控制好工藝參數的情況下，用等離子體對硅圓片表面進行活化，能大大的提高鍵合強度，產生極少的空洞或空隙，得到一個較好的鍵合效果。本文針對等離子表面活化的工藝特點，選擇了合理的參數，得到了較優化的工藝，試驗結果證明此工藝能夠實現無明顯界面缺陷的直接鍵合。

等離子；表面活化；關鍵因素

1.引言

自20世紀80年代以來，硅圓片的鍵合技術已很廣泛的用于傳感器和執行器。但硅圓片的預鍵合通常要在1000℃以上的高溫條件下進行退火才能達到較高的粘接強度，而高溫容易引起多方面的問題，如基板結構的不良變化和反應，各材料熱膨脹系數不同引起的鍵合部分應力的增加等等[1]。尤其是已經用于制造器件的硅圓片，高溫條件下硅與其他部分材料的熱不匹配導致較大的熱應力而使器件遭到破壞，或者發生一系列的化學反應而出現缺陷或污染使器件失效。為了解決這些不利的影響，低溫圓片鍵合技術成為了研究重點。

低溫鍵合中鍵合強度的大幅度提高主要由于鍵合前等離子體的表面預處理，并且在低溫鍵合過程中通過調整合適的工藝參數，如表面的預處理時間、偏置電壓的大小、射頻功率、氣體的流動速率等[2-3]，能避免間隙或空洞的形成。本文通過設置不同的參數組合進行試驗，利用正交試驗分析了單晶硅表面活化工藝中重要因素對表面活化效果的影響，找出最優工藝參數，對提高鍵合強度有重大的意義。

2.等離子氣體表面活化原理

2.1 等離子體

等離子體是由部分電子被剝奪的原子及原子被電離后產生的正負電子組成的離子化氣態物質，它廣泛存在于宇宙中，常被視為是除去固、液、氣外，物質存在的第四態。氣體可以通過電弧放電、輝光放電、激光、火焰或者沖擊波等使處于低氣壓狀態的氣體物質轉變成等離子狀態。通常我們采用射頻激勵的方式來獲取等離子體。給一組電機間施以頻率約為13.56MHz的射頻電壓，電極之間形成高頻交變電場，區域內氣體在交變電場的激蕩下，形成等離子體。

常用的等離子體的激發頻率有三種：40kHZ的超聲等離子體、13.56MHZ的射頻等離子體以及2.45GHZ微波等離子體。不同的等離子體產生的自偏壓不同，與材料的反應機制也不相同，如表1所示。

2.2 等離子活化原理

等離子表面活化即通常所說的干法表面活化，它主要是利用等離子體的能量與材料表面進行撞擊產生的物理或化學反應過程來實現清洗、蝕刻及表面活化等。如圖2所示為等離子對硅圓片表面活化的結構示意圖，硅圓片在活性等離子的轟擊作用下其表面會產生物理與化學的雙重反應，使被清洗物表面物質變成粒子和氣態物質，經過抽真空排出，而達到清洗污染、活化表面的目的。

3.等離子表面活化工藝流程

以等離子O2對硅圓片的表面活化工藝為研究對象，其活化工藝流程如圖3所示，主要包括如下的步驟：等離子O2表面預處理、RCA-1溶液清洗、去離子水沖洗、表面干燥、表面活性測量。

3.1 等離子O2表面處理

用等離子體對圓片表面進行轟擊，以清除圓片表面的有機物污染和氧化物等，使圓片表面達到高度不規則的多孔結構。

表1 等離子體的三種不同激發頻率

圖1 等離子對硅圓片表面活化的結構示意圖

圖2 等離子表面活化的試驗流程圖

圖3 不同時間的等離子曝光后的硅圓片表面比較圖

圖4 MATLAB程序計算鍵和率

3.2 RCA-1溶液清洗

R C A-1溶液的主要成分為氨水（NH4OH）、雙氧水（H2O2）以及去離子水（H2O），由于H2O的作用，硅圓片表面有一層自然氧化膜（SiO2），呈親水性，硅片表面和粒子之間可以被清洗液滲透。將等離子O2處理的硅圓片放入一定配比的RCA-1溶液中，在一定的溫度下進行處理。

3.3 去離子水沖洗

經RCA-1溶液處理后的硅圓片用去離子水沖洗，包括活化面和非活化面，以去除圓片表面殘留的溶液。

3.4 表面干燥

將處理好的硅圓片用潔凈干燥的氮氣將表面吹干。

3.5 表面活性測量

表面活性測量是為了評估表面活化后的效果，本文直接通過MATLAB程序計算硅圓片的鍵合率，由所得出的計算結果直觀地反映出鍵合的效果。

4.實驗

4.1 實驗材料

試驗所用的硅圓片為市售4in單晶硅單面拋光圓片，厚度為525μm，P型普通摻雜，主晶向<100>。圓片拋光面粗糙度指標RMS（root mean square）<0.5μm。

4.2 影響因素分析

影響等離子體表面活化效果的因素很多，如表面曝光時間、射頻功率大小、真空度高低、自偏壓大小、氣體的流動速率等，試驗針對等離子表面活化的工藝特點，選擇了表面曝光時間、射頻功率、氣體流動速率這3個關鍵因素進行研究。

(1)曝光時間

對于高質量的鍵合強度，硅圓片表面的曝光時間是一個非常重要的因素。根據已有的研究可以歸納出：曝光時間在5秒以下能較好的去除污染物，達到一個最適宜的鍵合強度，并且界面處也不會有氣泡產生；10s-2min有少量氣泡產生；超過3min氣泡的數量就會增加得很明顯（如圖3所示）。

本文選擇了5S的活化時間對硅圓片進行試驗。

(2)射頻功率

射頻功率不同，等離子體穿透圓片的深度也不相同，頻率越低，偏置電壓越大；增加偏置電壓導致等離子穿透圓片更深，圓片表面非常活躍，能輕易的從清洗溶液中吸附水分子。根設備的具體情況選擇了100w。

（3)O2的流動速率

氣體的流動速率是影響表面活化效果的靈敏因素，流動速率的大小使活化效果相差很大。根據長期試驗經驗，確定活化工藝中O2的流速為100sccm。

4.3 實驗

為研究等離子對硅圓片表面活化的效果，在反應腔中將硅圓片分別進行了5s不同時間的等離子曝光，然后將其放入RCA-1溶液和去離子水中清洗（包括活化面和非活化面），接著用潔凈干燥的N2將硅圓片吹干，處理時間不超過3min。

5.結論分析

采用MATLAB圖像處理技術將試驗后的硅片紅外圖經過灰度增強、邊界拾取、著色處理和鍵合率計算后可得到在8s曝光、50w射頻功率和100sccm氣體流量的作用下，硅圓片的鍵合效果最好，鍵合率達到了98.127%（如圖4所示）。這說明合適工藝參數下的等離子表面處理技術能使硅圓片實現超高的鍵合率。

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黃蓉，湖北工業大學機械工程學院湖北省現代制造質量工程重點實驗室在讀研究生，主要研究方向：質量控制與可靠性。