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等離子活化是現(xiàn)在比較常用的一種干法活化方法,能對物體表面實現(xiàn)超潔凈清洗,去除表面的有機物污染和氧化物,在晶圓表面引入所需基團,增強其鍵合能力。該方法主要利用等離子體中電子、離子、自由基等活性粒子的能量與材料表面進行撞擊,在撞擊的過程中發(fā)生能量轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生物理或化學(xué)反應(yīng)來實現(xiàn)清洗、蝕刻及表面活化等。

等離子體活化晶片表面作用原理

將等離子體對晶片表面作用過程概括為如下四個部分:

(1) 去除表面有機污染物:由于實驗在非潔凈間進行,因此在操作過程中難免會造成晶片表面的污染,即使在活化實驗之前進行預(yù)清洗也無法保證將其全部去除。在活化過程中,等離子體高速轟擊晶片表面,通過等離子體的物理濺射作用以及等離子體的化學(xué)作用與有機污染物反應(yīng)生成揮發(fā)性氣體兩種方式使得有機污染物從晶片表面解吸附。

(2) 降低表面粗糙度:在去除有機污染物后,潔凈的表面暴露于等離子體環(huán)境中。晶片表面相對較高的位置更容易受到等離子體轟擊,這些位置的表面共價鍵被等離子體打斷,使得部分Si原子處于游離態(tài)。在系統(tǒng)能量最小化的過程中,游離態(tài)的Si原子往相對位置較低的表面移動,使得原本凸起的表面形貌趨于平整,表面粗糙度降低。隨著活化時間的增長,晶片表面呈現(xiàn)出更加均勻的形貌起伏。這些微納結(jié)構(gòu)能將晶片表面的親水性放大。

(3) 提高表面Si-OH密度:待鍵合晶片表面的Si-OH密度與鍵合強度直接相關(guān)。等離子體打斷晶片表面S-O-Si共價鍵,留下大量的Si-、Si-O-懸掛鍵,這些不穩(wěn)定的懸掛鍵會吸附空氣中游離的-OH形成Si-OH以降低表面能,而等離子體轟擊形成的納米起伏增加了晶片的表面積,使得表面可以容納更多數(shù)量的Si-OH,親水基團的大量吸附也使晶片表面的親水性進一步提高。

(4) 輔助水分子及氣體分子擴散:根據(jù)Amirfeiz等人的研究成果,等離子體的處理會形成無序的表面結(jié)構(gòu),使氧化層變得疏松多孔,提高水分子的擴散速度,進而降低界面空洞產(chǎn)生的可能性,使得鍵合晶片表面接觸面積增大,鍵合強度更高。

晶圓等離子活化直接鍵合原理

晶片直接鍵合工藝通常包括表面清洗及活化、預(yù)鍵合、退火等步驟,表面活化鍵合的工藝和參數(shù)直接影響到表面懸掛羥基的數(shù)量及最終鍵合情況。因此,預(yù)鍵合前的表面活化成為了等離子鍵合中最關(guān)鍵的工藝步驟,相應(yīng)活化原理也是鍵合原理的基礎(chǔ)，完整的鍵合原理模型如圖1-1所示。

圖1-1 等離子體活化晶片直接鍵合原理模型 

對等離子體活化晶片直接鍵合原理進行總結(jié),具體內(nèi)容如下:

(1) 預(yù)鍵合階段:經(jīng)等離子體處理后,晶片表面有機污染物得到去除,表面形貌得到整平,表面粗糙度降低,表面懸掛鍵密度增加,這些高活性的懸掛鍵吸附空氣中游離的-OH,在晶片表面形成親水的Si-OH基團,這些親水基團進一步吸附空氣中的水分子,使晶片表面被幾個分子層厚度的水膜覆蓋。于是,在活化完成后,將兩晶片在室溫下貼合,兩側(cè)晶片表面之間通過范德華力和極性-OH間的氫鍵連接以實現(xiàn)室溫下的預(yù)鍵合,但此時的鍵合強度較低,晶片之間容易分離。

(2) 室溫加壓階段:剛完成室溫下預(yù)鍵合的晶片界面存在幾個分子層厚度且膜厚分布不均的水膜,若直接進行鍵合后退火操作,隨著退火溫度的升高,擴散通道較短的水分子得以快速從界面逃逸或向基體內(nèi)部擴散,使得該區(qū)域水膜厚度迅速減小,兩側(cè)表面靠近,距離足夠接近的Si-OH聚合生成Si-O-Si共價鍵;而擴散通道長的區(qū)域,仍有較多水分子殘留,導(dǎo)致水膜難以減薄,形成鍵合空洞,使界面鍵合面積及鍵合強度下降。因此,在退火之前進行室溫下的加壓操作,可以加速水分子的重新排列,使界面間的水膜厚度減薄,縮小兩側(cè)晶片表面的距離,由于等離子體的處理降低了表面粗糙度,因此部分Si-OH靠的足夠近,自發(fā)聚合脫水形成共價鍵連接,鍵合強度有所提高。

(3) 鍵合后退火階段:經(jīng)過室溫加壓階段,水分子層得以重排,部分Si-OH自發(fā)聚合形成共價鍵連接,但界面仍主要依靠范德華力及氫鍵相連。在鍵合后退火階段,升高的溫度一方面加速了水分子的擴散運動,另一方面加速了Si-OH的聚合脫水反應(yīng)。對于Si-Si鍵合以及Si-SiO2鍵合來說,擴散通道短的水分子能夠快速從界面逃逸,而其他區(qū)域的水分子能夠穿過薄氧化層向著Si基體擴散,并與Si反應(yīng)得以消耗,新生成的H2分子也能被氧化層的微孔洞吸收。另外,已鍵合區(qū)域也會向未鍵合區(qū)域提供額外的壓力,促進兩側(cè)表面的接觸,使更多Si-OH聚合形成共價鍵連接,鍵合強度得到進一步提高。