硅圆片等离子表面活化直接键合工艺研究

湖北工业大学机械工程学院 黄 蓉 聂 磊 文昌俊 余军星

硅圆片等离子表面活化直接键合工艺研究

湖北工业大学机械工程学院 黄 蓉 聂 磊 文昌俊 余军星

利用等离子轰击硅圆片表面，可提高其表面能，实现直接键合。在严格控制好工艺参数的情况下，用等离子体对硅圆片表面进行活化，能大大的提高键合强度，产生极少的空洞或空隙，得到一个较好的键合效果。本文针对等离子表面活化的工艺特点，选择了合理的参数，得到了较优化的工艺，试验结果证明此工艺能够实现无明显界面缺陷的直接键合。

等离子；表面活化；关键因素

1.引言

自20世纪80年代以来，硅圆片的键合技术已很广泛的用于传感器和执行器。但硅圆片的预键合通常要在1000℃以上的高温条件下进行退火才能达到较高的粘接强度，而高温容易引起多方面的问题，如基板结构的不良变化和反应，各材料热膨胀系数不同引起的键合部分应力的增加等等[1]。尤其是已经用于制造器件的硅圆片，高温条件下硅与其他部分材料的热不匹配导致较大的热应力而使器件遭到破坏，或者发生一系列的化学反应而出现缺陷或污染使器件失效。为了解决这些不利的影响，低温圆片键合技术成为了研究重点。

低温键合中键合强度的大幅度提高主要由于键合前等离子体的表面预处理，并且在低温键合过程中通过调整合适的工艺参数，如表面的预处理时间、偏置电压的大小、射频功率、气体的流动速率等[2-3]，能避免间隙或空洞的形成。本文通过设置不同的参数组合进行试验，利用正交试验分析了单晶硅表面活化工艺中重要因素对表面活化效果的影响，找出最优工艺参数，对提高键合强度有重大的意义。

2.等离子气体表面活化原理

2.1 等离子体

等离子体是由部分电子被剥夺的原子及原子被电离后产生的正负电子组成的离子化气态物质，它广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、液、气外，物质存在的第四态。气体可以通过电弧放电、辉光放电、激光、火焰或者冲击波等使处于低气压状态的气体物质转变成等离子状态。通常我们采用射频激励的方式来获取等离子体。给一组电机间施以频率约为13.56MHz的射频电压，电极之间形成高频交变电场，区域内气体在交变电场的激荡下，形成等离子体。

常用的等离子体的激发频率有三种：40kHZ的超声等离子体、13.56MHZ的射频等离子体以及2.45GHZ微波等离子体。不同的等离子体产生的自偏压不同，与材料的反应机制也不相同，如表1所示。

2.2 等离子活化原理

等离子表面活化即通常所说的干法表面活化，它主要是利用等离子体的能量与材料表面进行撞击产生的物理或化学反应过程来实现清洗、蚀刻及表面活化等。如图2所示为等离子对硅圆片表面活化的结构示意图，硅圆片在活性等离子的轰击作用下其表面会产生物理与化学的双重反应，使被清洗物表面物质变成粒子和气态物质，经过抽真空排出，而达到清洗污染、活化表面的目的。

3.等离子表面活化工艺流程

以等离子O2对硅圆片的表面活化工艺为研究对象，其活化工艺流程如图3所示，主要包括如下的步骤：等离子O2表面预处理、RCA-1溶液清洗、去离子水冲洗、表面干燥、表面活性测量。

3.1 等离子O2表面处理

用等离子体对圆片表面进行轰击，以清除圆片表面的有机物污染和氧化物等，使圆片表面达到高度不规则的多孔结构。

表1 等离子体的三种不同激发频率

图1 等离子对硅圆片表面活化的结构示意图

图2 等离子表面活化的试验流程图

图3 不同时间的等离子曝光后的硅圆片表面比较图

图4 MATLAB程序计算键和率

3.2 RCA-1溶液清洗

R C A-1溶液的主要成分为氨水（NH4OH）、双氧水（H2O2）以及去离子水（H2O），由于H2O的作用，硅圆片表面有一层自然氧化膜（SiO2），呈亲水性，硅片表面和粒子之间可以被清洗液渗透。将等离子O2处理的硅圆片放入一定配比的RCA-1溶液中，在一定的温度下进行处理。

3.3 去离子水冲洗

经RCA-1溶液处理后的硅圆片用去离子水冲洗，包括活化面和非活化面，以去除圆片表面残留的溶液。

3.4 表面干燥

将处理好的硅圆片用洁净干燥的氮气将表面吹干。

3.5 表面活性测量

表面活性测量是为了评估表面活化后的效果，本文直接通过MATLAB程序计算硅圆片的键合率，由所得出的计算结果直观地反映出键合的效果。

4.实验

4.1 实验材料

试验所用的硅圆片为市售4in单晶硅单面抛光圆片，厚度为525μm，P型普通掺杂，主晶向<100>。圆片抛光面粗糙度指标RMS（root mean square）<0.5μm。

4.2 影响因素分析

影响等离子体表面活化效果的因素很多，如表面曝光时间、射频功率大小、真空度高低、自偏压大小、气体的流动速率等，试验针对等离子表面活化的工艺特点，选择了表面曝光时间、射频功率、气体流动速率这3个关键因素进行研究。

(1)曝光时间

对于高质量的键合强度，硅圆片表面的曝光时间是一个非常重要的因素。根据已有的研究可以归纳出：曝光时间在5秒以下能较好的去除污染物，达到一个最适宜的键合强度，并且界面处也不会有气泡产生；10s-2min有少量气泡产生；超过3min气泡的数量就会增加得很明显（如图3所示）。

本文选择了5S的活化时间对硅圆片进行试验。

(2)射频功率

射频功率不同，等离子体穿透圆片的深度也不相同，频率越低，偏置电压越大；增加偏置电压导致等离子穿透圆片更深，圆片表面非常活跃，能轻易的从清洗溶液中吸附水分子。根设备的具体情况选择了100w。

（3)O2的流动速率

气体的流动速率是影响表面活化效果的灵敏因素，流动速率的大小使活化效果相差很大。根据长期试验经验，确定活化工艺中O2的流速为100sccm。

4.3 实验

为研究等离子对硅圆片表面活化的效果，在反应腔中将硅圆片分别进行了5s不同时间的等离子曝光，然后将其放入RCA-1溶液和去离子水中清洗（包括活化面和非活化面），接着用洁净干燥的N2将硅圆片吹干，处理时间不超过3min。

5.结论分析

采用MATLAB图像处理技术将试验后的硅片红外图经过灰度增强、边界拾取、着色处理和键合率计算后可得到在8s曝光、50w射频功率和100sccm气体流量的作用下，硅圆片的键合效果最好，键合率达到了98.127%（如图4所示）。这说明合适工艺参数下的等离子表面处理技术能使硅圆片实现超高的键合率。

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黄蓉，湖北工业大学机械工程学院湖北省现代制造质量工程重点实验室在读研究生，主要研究方向：质量控制与可靠性。