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书籍：《炬丰科技-半导体工艺》

文章：硅和石英玻璃的低温晶片直接键合方法

编号：JFKJ-21-

作者：炬丰科技

摘要

本文展示了一种通过两步湿化学表面清洗来结合硅和石英玻璃晶片的简易结合工艺。在℃后退火后，获得没有缺陷或微裂纹的强结合界面。在详细的表面和结合界面表征的基础上，对结合机理进行了探索和讨论。终止于清洁表面上的氨基可能有助于退火过程中结合强度的提高。这种具有成本效益的键合工艺对于硅基和玻璃基异质集成具有巨大的潜力，而不需要真空系统。

介绍

晶圆直接键合是一种允许两个镜面抛光表面在不使用任何额外材料的情况下进行键合的技术。硅是微电子领域最重要的材料，高纯度石英玻璃(也称为“熔融石英”)由于其优异的光学、机械和化学性能，在图像传感器、显示器和纳米流体器件中非常有吸引力；硅和石英玻璃的结合对于密封封装和混合集成至关重要。阳极键合是一种众所周知的将硅和含钠玻璃结合在一起的直接键合方法；然而，由于在界面上缺乏可移动的碱金属离子，它对于硅与石英玻璃的键合是无效的。

本文开发了等离子体激活键合(SPAB)工艺，其中晶片表面用氧反应离子蚀刻(RIE)等离子体处理，随后用微波氮自由基处理，即使在室温下也能紧密键合。

实验

在实验中使用了三英寸(75毫米直径)、p型、()取向、双面抛光的米厚的硅晶片。石英玻璃晶片是3英寸的。双面抛光，厚米。硅和石英玻璃晶片在SPM(H2SO4:H2O2=3:1)中清洗15分钟。晶片在去离子水中漂洗10分钟，以防止超声波辅助的二次污染。随后，用RCA溶液(NH4OH:H2O2:H2O=1:1:5)依次清洗晶片15分钟。值得注意的是，据报道，终止于氧化硅表面的氨基(–NH2)可增强结合强度。众所周知，氨气(NH3)在高温下易于蒸发。因此，在我们的工作中，RCA清洗在室温(25±3℃)下进行，不同于75–85℃的标准操作温度，用流动去离子水清洗晶片表面5分钟。作为比较，一些晶片单独用SPM或RCA溶液清洗。

结果和讨论

图。2(a)。在裂纹打开方法中，剃刀刀片几乎不能插入到结合的晶片之间。由于后退火后的大的结合强度(2.0J=m2)，在结合的晶片的边缘上出现断裂。这种结合强度可以承受随后苛刻的机械研磨或抛光过程。

图5显示了粘合机构的示意图。众所周知，SPM可以去除表面上的有机污染物，并产生含有悬挂键的新表面。水分子很容易吸附在表面上，如图1中硅表面的例子所示。5(a)。接着是室温下的RCA清洗过程，少量的氨基(–NH2)可以被这些悬空键吸附[图。5(b)]。经过SPM→RCA清洗后，硅和石英玻璃表面都非常亲水(在我们的亲水性实验中接触角5°)。表面硅烷醇基(Si–OH)和吸附的水分子之间的氢键网络导致预键合后的弱键合强度[图。5(c)]。在之前的一项研究中，硅–NH2基团的存在可能导致界面发生反应。因此，它有助于在℃的低温退火期间增强结合强度。

值得一提的是，我们研究中使用的RCA清洗是在室温下进行的(∨25°C)。清洁效果似乎不如在75–85℃下使用标准的RCA溶液。然而，室温工艺可能会保留更多的–NH2基团，这些基团终止于晶圆表面，因为没有热蒸发。

结论

综上所述，我们表明两步SPM→RCA清洗可以有效提高Si=石英晶片对的低温结合强度。在℃后退火后，获得没有缺陷或微裂纹的强结合界面。终止于清洁表面上的氨基可能有助于退火过程中结合强度的提高。这种高性价比的键合工艺在硅基和玻璃基异质集成方面具有巨大的潜力，而不需要真空系统。

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