湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)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(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)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(shí)現(xiàn)直接鍵合。在嚴(yán)格控制好工藝參數(shù)的情況下，用等離子體對硅圓片表面進(jìn)行活化，能大大的提高鍵合強(qiáng)度，產(chǎn)生極少的空洞或空隙，得到一個(gè)較好的鍵合效果。本文針對等離子表面活化的工藝特點(diǎn)，選擇了合理的參數(shù)，得到了較優(yōu)化的工藝，試驗(yàn)結(jié)果證明此工藝能夠?qū)崿F(xiàn)無明顯界面缺陷的直接鍵合。

等離子；表面活化；關(guān)鍵因素

1.引言

自20世紀(jì)80年代以來，硅圓片的鍵合技術(shù)已很廣泛的用于傳感器和執(zhí)行器。但硅圓片的預(yù)鍵合通常要在1000℃以上的高溫條件下進(jìn)行退火才能達(dá)到較高的粘接強(qiáng)度，而高溫容易引起多方面的問題，如基板結(jié)構(gòu)的不良變化和反應(yīng)，各材料熱膨脹系數(shù)不同引起的鍵合部分應(yīng)力的增加等等[1]。尤其是已經(jīng)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(dǎo)致較大的熱應(yīng)力而使器件遭到破壞，或者發(fā)生一系列的化學(xué)反應(yīng)而出現(xiàn)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(shù)成為了研究重點(diǎn)。

低溫鍵合中鍵合強(qiáng)度的大幅度提高主要由于鍵合前等離子體的表面預(yù)處理，并且在低溫鍵合過程中通過調(diào)整合適的工藝參數(shù)，如表面的預(yù)處理時(shí)間、偏置電壓的大小、射頻功率、氣體的流動(dòng)速率等[2-3]，能避免間隙或空洞的形成。本文通過設(shè)置不同的參數(shù)組合進(jìn)行試驗(yàn)，利用正交試驗(yàn)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(yōu)工藝參數(shù)，對提高鍵合強(qiáng)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(chǎn)生的正負(fù)電子組成的離子化氣態(tài)物質(zhì)，它廣泛存在于宇宙中，常被視為是除去固、液、氣外，物質(zhì)存在的第四態(tài)。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(tài)的氣體物質(zhì)轉(zhuǎn)變成等離子狀態(tài)。通常我們采用射頻激勵(lì)的方式來獲取等離子體。給一組電機(jī)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(qū)域內(nèi)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(fā)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(chǎn)生的自偏壓不同，與材料的反應(yīng)機(jī)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(jìn)行撞擊產(chǎn)生的物理或化學(xué)反應(yīng)過程來實(shí)現(xiàn)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(jié)構(gòu)示意圖，硅圓片在活性等離子的轟擊作用下其表面會(huì)產(chǎn)生物理與化學(xué)的雙重反應(yīng)，使被清洗物表面物質(zhì)變成粒子和氣態(tài)物質(zhì)，經(jīng)過抽真空排出，而達(dá)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(yù)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(jìn)行轟擊，以清除圓片表面的有機(jī)物污染和氧化物等，使圓片表面達(dá)到高度不規(guī)則的多孔結(jié)構(gòu)。

表1 等離子體的三種不同激發(fā)頻率

圖1 等離子對硅圓片表面活化的結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 等離子表面活化的試驗(yàn)流程圖

圖3 不同時(shí)間的等離子曝光后的硅圓片表面比較圖

圖4 MATLAB程序計(jì)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(jìn)行處理。

3.3 去離子水沖洗

經(jīng)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?dú)鈱⒈砻娲蹈伞?/p>

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(jì)算硅圓片的鍵合率，由所得出的計(jì)算結(jié)果直觀地反映出鍵合的效果。

4.實(shí)驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)材料

試驗(yàn)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(biāo)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(shí)間、射頻功率大小、真空度高低、自偏壓大小、氣體的流動(dòng)速率等，試驗(yàn)針對等離子表面活化的工藝特點(diǎn)，選擇了表面曝光時(shí)間、射頻功率、氣體流動(dòng)速率這3個(gè)關(guān)鍵因素進(jìn)行研究。

(1)曝光時(shí)間

對于高質(zhì)量的鍵合強(qiáng)度，硅圓片表面的曝光時(shí)間是一個(gè)非常重要的因素。根據(jù)已有的研究可以歸納出：曝光時(shí)間在5秒以下能較好的去除污染物，達(dá)到一個(gè)最適宜的鍵合強(qiáng)度，并且界面處也不會(huì)有氣泡產(chǎn)生；10s-2min有少量氣泡產(chǎn)生；超過3min氣泡的數(shù)量就會(huì)增加得很明顯（如圖3所示）。

本文選擇了5S的活化時(shí)間對硅圓片進(jìn)行試驗(yàn)。

(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(dǎo)致等離子穿透圓片更深，圓片表面非?；钴S，能輕易的從清洗溶液中吸附水分子。根設(shè)備的具體情況選擇了100w。

（3)O2的流動(dòng)速率

氣體的流動(dòng)速率是影響表面活化效果的靈敏因素，流動(dòng)速率的大小使活化效果相差很大。根據(jù)長期試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)，確定活化工藝中O2的流速為100sccm。

4.3 實(shí)驗(yàn)

為研究等離子對硅圓片表面活化的效果，在反應(yīng)腔中將硅圓片分別進(jìn)行了5s不同時(shí)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(shí)間不超過3min。

5.結(jié)論分析

采用MATLAB圖像處理技術(shù)將試驗(yàn)后的硅片紅外圖經(jīng)過灰度增強(qiáng)、邊界拾取、著色處理和鍵合率計(jì)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(dá)到了98.127%（如圖4所示）。這說明合適工藝參數(shù)下的等離子表面處理技術(shù)能使硅圓片實(shí)現(xiàn)超高的鍵合率。

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黃蓉，湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院湖北省現(xiàn)代制造質(zhì)量工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在讀研究生，主要研究方向：質(zhì)量控制與可靠性。