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鍵合是指將兩種同質或者異質材料緊密結合成一體的技術,是一項必不可少的半導體工藝。低溫直接鍵合作為一種新興的晶圓鍵合工藝,其在半導體和MEMS行業中的作用正愈發重要。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生物化反應產生原子共價鍵,從而使兩晶圓接觸區域具有良好的機械性能和電子特性。得益于低溫直接鍵合技術的諸多優點,其在集成封裝、器件制造和新材料制備等領域都有著十分重要的應用前景。

低溫直接鍵合工藝主要包括清洗、活化、預鍵合和退火四步，良好的表面活化質量是成功鍵合的關鍵。

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硅基晶圓表面進行活化處理,是為了提高其表面的活化能。采用干法等離子體活化進行親水性晶圓鍵合的工藝流程大致都要經過晶圓清洗、表面活化、室溫預鍵合,最后通過低溫退火實現兩晶圓的牢固鍵合。

等離子體是由正負粒子(其中包括正離子、負離子、電子、自由基和各種活性基團等)組成的集合體,其中正電菏和負電菏的電量相等,故稱等離子體。隨著能量輸入的增加,物質的狀態也會發生變化,從固態到液態,再到氣態。如果采用放電的方式再向氣體中增加能量,氣體將會轉變為等離子體。常見的等離子體處理設備的工作原理如圖1所示,通過射頻電源對兩極板施加高頻的射頻電壓,使兩極板間產生交變電場,腔室中的反應氣體在高頻交變電場的作用下會生成等離子體。將待處理的物體放入反應腔室中,其表面就會受到等離子體的轟擊作用,從而實現對物體表面的活化。采用等離子體處理設備對晶圓表面進行活化處理時,其活化效果將取決于氣體種類、氣體流量、射頻功率和工藝時間等參數。

圖一 等離子體處理設備工作原理圖

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

經過等離子清洗和活化處理后的晶圓,其表面大量存在的-OH基團很容易與空氣中的H2O分子相結合,當兩晶圓相互貼合時,其界面的H2O分子會形成H2O分子鏈將兩晶圓連接起來。同時,兩晶圓會在表面范德華力和水分子間氫鍵的作用下發生自發鍵合。

圖二 硅基晶圓親水性表面活化鍵合機理

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,室溫預鍵合的兩晶圓接觸表面能夠通過范德華力和水分子間氫鍵的作用自發地結合在一起,但是這種自發鍵合并不牢固。對預鍵合的晶圓進行低溫退火,其表面懸掛的-OH基團將會發生脫水縮合反應并生成Si-O-Si共價鍵(反應方程式見式(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）