襯底硅片質量對SDB工藝的影響研究

張賀強

(中國電子科技集團公司第四十六研究所 天津300220)

襯底硅片質量對SDB工藝的影響研究

張賀強

(中國電子科技集團公司第四十六研究所 天津300220)

硅-硅直接鍵合技術廣泛應用于SOI、MEMS和電力電子器件工藝中，襯底拋光片的質量對鍵合質量及器件性能起著至關重要的影響。襯底拋光片的質量包含幾何尺寸精度及表面狀態質量，會影響鍵合過程中的界面應力，或造成鍵合界面空洞的產生，從而影響鍵合質量。

硅片 拋光片 硅硅鍵合 鍵合質量

0 引 言

SDB(Silicon-silicon Direct Bonding)——硅-硅直接鍵合是將兩片表面經清洗、活化的硅拋光片在室溫下直接貼合，經高溫處理，使界面發生物理化學反應，增加鍵合強度而形成整體。[1]這種鍵合結構與晶片的晶向、晶格常數、結晶狀態、摻雜類型、摻雜濃度等無關，因此可任意選擇硅片參數，且界面清晰陡峭，在一定程度上可以替代擴散、外延技術，用以制造超大規模集成電路和大功率器件的襯底。[2-5]

硅-硅鍵合界面沒有金屬或有機層，完全依靠硅片之間的范德華力、分子力甚至原子力使兩片晶片相互吸附，因此，該工藝不僅與鍵合參數有關，[6-9]還在很大程度上依賴于襯底硅片的質量。本文重點研究了襯底硅片的幾何尺寸參數與表面狀態質量對鍵合質量的影響，并提出了硅-硅直接鍵合對硅片質量的要求。

1 實驗設計

樣品采用直徑101.6,mm、N型硅單面拋光片，拋光片厚度 220～450,μm，Warp 8.5～35.5,μm，LTIR 0.8～1.5,μm(15,mm×15,mm)，硅片用 H2SO4/H2O2溶液活化，活化后用電阻率大于 18,MΩ的去離子水沖洗，離心甩干后，利用光散射表面分析儀測試襯底表面顆粒度，利用光干涉平整度測試儀測試晶片的幾何參數。

鍵合過程分兩步[10]：首先將經過活化處理的兩個拋光片在室溫下貼合在一起。兩晶片就會通過表面吸附的分子膜建立起氫鍵鏈接，這一過程被稱為預鍵合。然后對預鍵合片進行 500,℃高溫退火處理，使界面原子排列發生重組，形成牢固的鍵合鏈接。鍵合后測試其幾何參數，并利用掃描聲學顯微鏡測試鍵合質量，利用電子試驗機對鍵合片進行拉伸強度測試。

2 結果和討論

2.1 襯底硅片翹曲度對鍵合的影響

硅拋光片的表面并不是理想的鏡面，總會有一定的微觀起伏，進而對鍵合過程產生一定的影響。表 1給出了不同翹曲度硅片鍵合后的拉伸強度，從中可以看出，襯底硅片的原始翹曲度越大，鍵合強度越小，即翹曲度較大的兩晶片很難實現牢固的鍵合。圖 1給出了硅片鍵合的匹配過程，鍵合過程伴隨有兩硅片表面相互匹配而引起的彈性形變，硅片翹曲度越大，這種彈性形變越明顯，由此產生的界面應力越大，鍵合區域不穩固，因此導致了鍵合強度的降低。

研究中還發現，翹曲度對鍵合質量的影響還與硅片的厚度有關。硅片厚度越大時，鍵合質量明顯受制于翹曲度的大小，當硅片厚度低于 300,μm 時，硅片的鍵合強度將不再強烈依賴于翹曲度，而更多地與鍵合參數有關。

表1 不同翹曲度硅片鍵合后的拉伸強度Tab.1 Tensile strengths of bonded silicon wafers with different warps

圖1 鍵合匹配過程Fig.1 Bonding process

2.2 襯底硅片總厚度變化對鍵合的影響

由于鍵合后，硅片整體表面會發生因吸附作用而造成的表面形變，因此，測試鍵合片的局部平整度是表征鍵合效果的一種良好方式。圖 2給出了兩組鍵合片的局部平整度測試結果，從中可以發現，原始晶片的總厚度變化越大，鍵合后硅片的局部平整度越差，即兩總厚度變化較大的晶片鍵合時，晶片需要非常大的變形才能實現成功鍵合。

圖2 兩組鍵合片的局部平整度測試結果Fig.2 SFQDs of two bonding wafers

付興華[11]等人將表面起伏用正弦波形象描述，建立了鍵合應力和孔洞的簡化拓撲，并將總厚度變化對鍵合質量的影響歸結為界面孔洞。本文研究中還發現，鍵合后硅片的表面形貌與原始硅片的平整度狀態也有一定的對應關系。

2.3 襯底硅片表面顆粒度對鍵合的影響

圖 3為襯底硅片表面顆粒度的測試情況和鍵合后硅片界面掃描超聲顯微鏡的測試情況，結果顯示，表面顆粒度是造成鍵合空洞的重要因素。由于表面顆粒不能與硅片鍵合，會在其周圍引起硅片的彈性形變，從而形成空洞，大大降低了鍵合強度。雖然鍵合前掃描的顆粒位置不能與鍵合后的空洞位置一一對應，但仍能看出顆粒群與空洞群的密切聯系。因此，襯底硅片原始表面為親水面時，可獲得較少顆粒的表面，通常可得到較好的鍵合效果。

圖3 襯底硅片表面顆粒度與鍵合后掃描超聲顯微鏡的測試Fig.3 Comparison of both surface particle levels of a silicon wafer substrate and scanning acoustic microscope test results of the substrate after bonding

3 結 論

本文分析了襯底硅片幾何尺寸參數和表面狀態質量對 SDB工藝的影響，研究結果表明，襯底硅片的翹曲度在一定程度上影響鍵合強度，翹曲度越大，鍵合強度越低，這可能是界面間應力決定的。襯底硅片的總厚度變化影響鍵合過程的表面彈性形變程度，繼而對鍵合片的局部平整度造成影響。襯底硅片的表面顆粒度與鍵合空洞有較為密切的聯系，親水鍵合的效果往往要強于疏水鍵合。

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Influence of Silicon Wafer Quality on SDB Technology

ZHANG Heqiang
(The 46th Research Institute of CETC，Tianjin 300220，China)

The Silicon-silicon Direct Bonding(SDB)technology has been widely used in SOI，MEMS and electronics. In the technique，the quality of a polished silicon wafer substrate exerts an important impact on both bonding effect and device performance. Consisting of dimensional accuracy and surface quality，the substrate qualitywill determine the bonding effect through influencing the interfacial stress or introducing interfacial cavities.

silicon wafer；polished wafer；silicon-silicon direct bonding；bonding quality

TN364

A

1006-8945(2014)11-0018-02

2014-10-16