（微电子学与固体电子学专业论文）硅基器件键合新技术及其应用.pdf

摘要 摘要 键合技术( b o n d i n gt e c h n 0 1 0 9 y ) 是随着集成电路和微机械的发展而出现的 一种加工技术。键合是指不利用任何黏合剂，只通过化学键和物理作用将硅片与 硅片、硅片与玻璃或其他材料紧密结合在一起。键合界面具有良好的气密性和长 期的稳定性，应用十分广泛，是m e m s ( m i c r oe l e c t r o n i c m e c h a n i c a ls y s t e m ， 微电子机械系统) 封装中的基本技术之一。一般来说，键合都需要高温退火，但 是如果退火温度太高，就会带来许多负面效应，影响键合的应用范围。所以如何 降低退火温度实现低温键合，是人们的大研究方向。同时，对两个适配组件的 表面进行键合，不仅仅要使其形成一定的结构，有时还要达到密封、导热及导电 功能。即在研究键合技术时，不仅仅要考虑它的机械特性，还要考虑它的光学、 电学特性等。 本论文主要对低温硅硅直接键合的新技术进行了研究，对键合界面性质进行 了讨论，并对键合技术在室温红外探测器封装中的应用做了大量工作。论文的主 要内容如下： 首先介绍了m e 幅键合的种类，硅硅直接键合的工艺原理，键合前对硅片表 面处理以及各种键合质量的检测方法。并开发了相关的检测设备为实验服务。根 据研究现状提出了一种新颖的基于c n 等离子体的直接键合技术。 对基于c f 。等离子体处理的硅硅直接键合技术进行了一系列的研究。确定了 要达到良好键合的实验条件，并对键合界面进行了结晶学分析，讨论了c f 4 等离 子体作为键合预处理手段的作用和优点。最后讨论了基于c r 等离子体的低温直 接键合的机理，并使用f e t e m 所配置的印x 能谱仪对键合界面的成分进行了分析。 讨论了硅硅直接键合界面的各种特性，包括界面氧化层、界面电学特性、界 面位错以及他们之间的关系，得出氧化层的存在使界面呈现非欧姆特性，并得到 了这种非欧姆特性随退火温度的变化关系。使用f e t e m 对键合界面进行了高分辨 的图像分析，得到了键合界面过渡层厚度与退火处理的关系。使用t s u p r e m 模拟软件对硅硅直接键合界面处的杂质分布变化进行了模拟，得出了杂质界面偏 离键合界面的结果，并讨论了这种结果对键合片后续器件性能的影响。使用o 点阵模型对键合界面的位错进行了分析。 研究了i i f e f i s 键合技术在室温红外探测器封装中的应用。改进了静电键合条 件，并成功的应用于红外探测器的封装。并对金硅共熔键合进行了研究，得到了 合适的键合条件，形成了器件的良好封装，并对器件进行了测试。得到了较好的 红外辐射响应。对硅硅直接键合在室温红外探测器中的应用进行了工艺探索。 关键词m e m s ( 微电子机械系统) ；硅硅直接键合；键合界面；室温红外探测器 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eb o n d i n gt e c h n o l o g yi sak i n do fp r o c e s st e c h n o l o g ya p p e a r i n gw i t h d e v e l o p m e n to fi n t e g r a t e dc i r c u i ta n dm i c r o m e c h a n i c a 卜s y s t e m t h e b o n d i n gt e c h n 0 1 0 9 yc a nm a k et h es i l i c o nw i t hs i l i c o no rs i l i c o nw i t hg l a s s o ro t h e rm a t e r i a lt o g e t h e rt i g h t l yo n l yt h r o u g hc h e m i c a lb o n da n dp h y s i c a l e f f e c tw i t h o u tu s i n ga n yo t h e rm a t e r i a l s t h eb o n d i n gi n t e r f a c eh a sb e t t e r a i r p r o o fa n ds t a b i l i t yf o ra1 0 n gp e r i o da n dt h eb o n d i n gt e c h n o l o g yh a s ab r o a da p p l i c a t i o n ，s ot h i s t e c h n o l o g y i so n eo ft h eb a s i cm e m s e n c a p s u l a t i o nt e c h n o l o g i e s 工nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n ，t h eb o n d i n g t e c h n o l o g ys h o u l dn o to n l yf o r md e f i n i t es t r u c t u r eb u ta l s oe f f e c t a i r p r o o f ，d i a t h e r m a n c ya n de l e c t r i c t h a ti st os a y ，w h e nw es t u d yt h e b o n d i n gt e c h n o l o g y ， w es h o u l ds t u d yt h eb o n d i n gw a f e r sn o to n l yo ni t s m e c h a n i c a lc h a r a c t e rb u ta l s oo ni t so d t i c sa n de l e c t r i c a lc h a r a c t e r i m p o r t a n tc o n t e n ti nt h i sp a p e ri sa sf o l l o w s ： t h e r ea r es o 皿ek i n d so fm e m sb o n d i n gt e c h n 0 1 0 9 i e sa n dt h ep r o c e s st h e o r i e s i n t r o d u c e di nt h i sp a p e r ， i n c l u d i n gs i l i c o nd i r e c tw a f e rb o n d i n g ， t h e s i l i c o ns u r f a c eo p e r a t i o nb e f o r eb o n d i n ga n dt h em e a s u r em e t h o do ft h e b o n d i n gq u a l i t y t h ea u t h o rs u i i 】i r l a r i z e st h ep r e s e n ts t a t eo ft h e e x p e r i m e n t a lm e t h o d s ， w h i c ha r eu s e dt od e t e r m i n et h eb a s i cp a r a m e t e r s a b o u ta d h e s i o na n dd e v e l o p ss o m er e l e v a n te q u i p m e n t s b a s e do nt h ep r e s e n t s t a t eo ft h ed i r e c tb o n d i n gm e t h o d ， t h ea u t h o ri n v e n t san e wm e t h o do f d i r e c tb o n d i n gw i t hc rp l a s 腿 t h i st h e s i si sm a i n l yf o c u s e do ns t u d y i n gc f 4p l a s m a b a s e dp r o c e s s i n g s i l i c o n s i l i c o nd i r e c t b o n d i n g ， a n d e n s u r i n gt h eg o o de x p e r i m e n t c o n d i t i o nt og e tt h eb e t t e rb o n d i n g t h ec r y s t a l l o g r a p h ya n a l y s i sf o rt h e i n t e r f a c eo fb o n d i n gi sf o l l o w e d a n dt h ea u t h o rd i s c u s s e st h ee f f e c ta n d t h ee x c e l l e n c eo ft h i sm e t h o d i nt h e1 a s tp a r t ，t h ea u t h o rs t u d i e st h e p r i n c i p l eo f1 0 wt e m p e r a t u r ed i r e c tb o n d i n gb a s e do nc f 4p l a s m aa n d a n a l y s e st h ec o m p o n e n to ft h eb o n d i n gi n t e r f a c ew i t he d x ( e n e r g y d i s p e r s i v ex r a y e d )i nf e t e m m a n yc h a r a c t e r i s t i c so ft h ed i r e c ts i l i c o nw a f e rb o n d i n gi n t e r f a c ew e r e s t u d i e di nt h i sp a p er ， i n c h l d i n gt h ei n t e r f 色c i a lo x i d a t i o nl a y e r t h e i n t e r f a c i a le l e c t r i c s c h a r a c t e r i s t i c s ， t h ei n t e r f a c i a ld i s l o c a t i o n s t r u c t u r ee t c f u r t h e r m o r e ，t h er e l a t i o nb e t w e e nt h i so x i d a t i o nl a y e ra n d t h ei n t e r f a c i a le l e c t r i c sc h a r a c t e r i s t i c sa n dh o wt h er e l a t i o nc h a n g e s w i t h h e a tt r e a t m e n ta r em a d eo u t t h ea u t h o ra n a l y s e st h eb o n d i n g i n t e r f a c ew i t hf e t e m ，s t u d i e st h er e l a t i o nb e t w e e nt h et h i c k n e s so ft h e t r a n s i t i o nl a v e ra n dt h eh e a tt r e a t m e n t t h es i m u l a t i o ns o f t w a r ei su s e d t os i m u l a t et h ei m p u r i t i e s r e d i s t r i b u t i n go nt h eb o n d i n gi n t e r f a c ea n d t h er e d i s t r i b u t i o nr e s u l ti sa c h i e v e d t h e nt h e i m p u r i t i e s r e d i s t r i b u t i o n se f f e c to nd e v i c eb o n d i n gi sd i s c u s s e d t h ea u t h o r a n a l y s e st h ei n t e r f a c i a ld i s l o c a t i o ns t r u c t u r eb yu s i n g01 a t t i c e i n t e r f a c em o d e l t h ea p p l i c a t i o no ft h em e m sb o n d i n gt e c h n o l o g yi nt h er o o mt e m p e r a t u r e i n f r a r e dd e t e c t o ri ss t u d i e d ，j u s t1 i k ea n o d eb o n d i n ga n da u s ib o n d i n g a tl a s t ，t h ea u t h o rs t u d i e st h ef e a s i b i l i t yo ft h es i l i c o nd i r e c tb o n d i n g a p p l i c a t i o ni nm a k i n gd e t e c t o r k e y w o r d s ： m e m s( m i c r o e l e c t r o m e c h a n i c a ls y s t e m ) ：s i l i c o nd i r e c t b o n d i n g ：b o n d i n gi n t e r f a c e ：r o o mt e m p e r a t u r ei n f r a r e dd e t e c t o r i i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究t 作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，沦文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：遣支自免h 期：边幺笸：缱 关于论文使用授权的说明 本人完全了解：| 匕京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复印手段保存论文。 ( 保密的论文解密后应遵守此规定) 签名：獾鱼盘导师签名： 彳厶芗 j 奄伊 f | 期：鲤么：丝 第一章绪论 微电子机械系统是指采用微机械加工技术和微电子技术相结合的工艺技 术，可以批量制作包括微型结构、微型传感器、微型执行器以及信号处理和 控制电路、接口、通讯等于一体的微型器件或微型系统。通常，m e s 技术可 分为体微机械加工( 腐蚀、镀膜、掺杂、键合) 和表面微加工技术，还包括 高深宽比微加工技术及超微精密加工技术等。同时还借助了一些成熟的半导 体工艺，如光刻、氧化、扩散、离子注入、溅射、外延生长等技术。而与传 统的微电子工艺相比较，键台工艺是m e m s 技术中最具特色和最关键的工艺之 一。 键合技术( b o n d i n gt e c h n 0 1 0 9 y ) 是随着集成电路和微机械的发展出现 的一种加工技术。键合是指不利用任何黏合剂，只通过化学键和物理作用将 硅片与硅片、硅片与玻璃或其他材料紧密结合在一起。键合界面具有良好的 气密性和长期的稳定性，应用十分广泛，是m e m s 封装中的基本技术之一。主 要分为“面”的键合技术和“线”的键合技术“。对两个适配组件的表而进行 键合，不仅仅要使其形成一定的结构，有时还要达到密封、导热及导电功能。 即在研究键舍技术时，不仅仅要考虑它的机械特性，还要考虑它的光学、电 学特性等。 1 1m e m s 键合技术及其发展 当两个抛光晶片的表面贴合时，他们之闻就会产生分子问的范德华力， 形成预键台，这时再加以外部作用，加强他们之间的作用力，并发生化学反 应产生共价键，使两个片子之间的键台能( b o n d i n ge n e r g y ) 达到一定强度， 这样这两个晶片就只通过原予键形成一体。外界作用包括加热、加电以及加 力等。m e m s 键合技术主要包括静电键合技术( a n o d i cb o n d i n 2 ) 、直接键舍 技术( d i r e c tb o n d i g ) 、低温键合法( l o wt e m p e r a t u r eb o n d i n g ) 、中间介质 层键合法( i n t e m e d i a t el a y e rb o n d i n g ) 、黏合剂键合法( a d h e s i v eb o n d i n g ) 。 1 1 1 黏合剂键合法 黏台剂键合法就是将基片表面涂上一层黏合剂，将待键合的部件放置到 粘合剂薄膜上，然后对基片加热，使基片达到键合所需的温度。键合的温度 粘合剂薄膜上，然后对基片加热，使基片达到键合所需的温度。键合的温度 北京工业大学工学硕士学位论文 一般接近或稍低于玻璃的相变温度，同时施加一定的机械力来保证键合的质 量。这种键合方法相对来说是最经济也是最普遍的键合方法。 图1 1 黏合剂键合法示意图 f 培1 1a 曲e s i v eb o n d i n gt e c h n o l o g y 目前，最常用的黏台剂是环氧树脂。另外还有采用水玻璃作为黏合剂来实 现比较理想的低温键合“3 ，键合强度可达2 9 帅a 。 1 1 2 静电键合技术 静电键合技术又称场助键合或阳极键合，是w a l l i s 和p o m e r a n t z “于1 9 6 9 年提出的。利用静电键合技术可以将玻璃与金属、台金或半导体直接封接在 一起而不使用任何粘结剂。静电键合界面有良好的气密性和长期的稳定性， 应用十分广泛。 静电键合技术主要是硅和玻璃的键合，温度一般为3 0 0 4 5 0 ，电压在 1 0 0 0 v 左右。 图1 2 静电键合原理 f i g 1 - 2a n o d eb o n d i n g 印p a r a t i l s 静电键合的原理：将要键台的硅片接正极，玻璃接负极，并对玻璃一硅 片加热。硅片在3 0 0 时，其行为类似于金属。当有外加电压时，玻璃中的 n a + 向负极方向漂移，在紧邻硅片的玻璃表面形成耗尽层，耗尽层宽度约为几 个微米。由于耗尽层带有负电荷，硅片带正电荷，所以硅片和玻璃之间存在 较大的静电吸引力，使两者紧密接触，外加电压主要落在耗尽层上。同时， 第1 荦 绪论 由于高温，硅和玻璃会发生化学反应，形成牢固的化学键，如s i o s i 键等， 使硅和玻璃形成良好的封接。 随着研究的不断深入，人们对传统的静电键合做了很多改进。如：激光 选择区域熔融键合，脉冲电压辅助静电键合，多点电极静电键合，低温静电 键合以及双电场静电键合等方法。使静电键合得到了更为广泛的应用。 1 1 3 直接键合技术 直接键台技术是指两硅片通过高温处理可以直接键合在一起，不需要任何 粘结剂和外加电场，工艺简单。直接键合技术是由l a s k y “首先提出的。 直接键合的机理可用三个阶段来描述： 第一阶段：从室温到2 0 0 ，硅片表面吸附o h 团，在相互接触区产生氢键。 在2 0 0 时，硅醇键之间发生聚合反应，产生水和硅氧键。到4 0 0 时，聚合 反应基本完成。 s i o h 十h o s i + s i o s j + h 2 0 第二阶段：5 0 0 8 0 0 范围内，在形成硅氧键时产生的水向s i 0 。中的扩散不 明显，0 h 团可以破坏桥接氧原子的一个键使其转变为非桥接氧原子。这种反 应使键合界面存在负电荷。 h o h + s i o s i - 2 h + + 2 s i o 一 第三阶段：温度大于8 0 0 ，水向s i o ：中扩散变得显著，而且随温度的升高扩 散量成指数增大。键合界面的空洞和间隙处的水分子可在高温下扩散进入四 周二氧化硅中，从而产生局部真空，这样硅片会发生塑性变形使空洞消失。 同时，此温度下二氧化硅粘度降低，会发生粘滞流动，从而消除微间隙。超 过1 0 0 0 时，邻近原子间相互反应产生共价键，使键合得以完成。 1 1 4 中间介质层键合法 主要是指金硅共熔键合。金一硅共熔键合技术的键合温度相对较低 ( 3 6 3 ) ，键台强度高而且稳定，在m e m s 封装中也有重要的作用。金硅共熔 键合主要是利用金硅二相系的熔点比纯金或纯硅的熔点低得多而将其作为两 待键合硅片的中间过渡层。当键合片被加热到稍高于金硅共熔点的温度时， 金硅混合物将从与其键合的硅片中夺取硅原予以达到硅在金硅二相系中的饱 和状态，冷却以后就形成了良好的键合。基本工艺为在两硅片上各淀积一层 t i a u ，将两硅片贴合放在加热器上，加一质量块压实，在3 5 0 4 0 0 温度下 j ! 奎三些查兰三：翌圭兰竺兰三 退火。实验表明，在退火温度3 6 5 ，时间l o 分钟，键合面超过9 0 。 1 2m e m s 键合技术的主要应用 键合技术不仅在m e m s 器件中有重要的作用，而且在其它领域也有着广泛 应用。它的应用领域主要有： ( 1 ) 基片之间的键合，例如将硅晶片键合到硅晶片或者是将硅晶片键合到由玻 璃、石英、蓝宝石、陶瓷和金属材料制成的承载晶片上。 ( 2 ) 将微元件固定到承载基片上，例如将硅模片固定到玻璃或陶瓷的基板上。 一般来说，键合技术的主要作用就是形成所需要的结构，或者能够密封、 导热以及导电等。 1 2 1 在m e m s 中的应用 这主要是指微传感器和微结构的制作。静电键合技术是进行传感器封装 的基本工艺之一。玻璃具有较强的刚度、很好的密封性，常温下是很好的绝 缘体，用玻璃封装微型传感器可以达到密封、绝缘、保护等效果”1 。硅硅直接 键合能形成一些m e m s 结构。使用键合技术与微电子技术相结合，能制作出复 杂的三维结构，并且可以将这些微结构与微电子集成。从而大大提高了m e m s 的应用范围。 1 2 2 在微电子学中的应用 1 2 2 1 用键合技术制备s o i 材料 实际上，硅硅键合技术就是为制各s o i 材料提出的“1 。用键合工艺制备 s o i 材料，其主要优点是成本低，硅膜厚度和埋层s i o 。厚度可在很大范围内调 节，硅膜质量好等。制备s o i 材料的关键工艺之一是减薄技术。减薄的方法 有精密机械抛光、自腐蚀停技术等。现在比较流行的方法是智能剥离技术即 氢离子注入法“1 。即在键合的一片晶片上注入氢离子，然后和另一硅片在一定 温度下键合。键合热处理在大约5 0 0 时，氢离子注入处会形成连续的空腔， 从而自动剥离形成s o i 结构。而且被剥离的硅片可以循环利用。但是注氢剥 离后的表面相当粗糙，还需经过抛光才能使用。 第1 章绪论 1 2 2 2 用键合技术制备光电子器件 ( a l 。g a 。) 。l n 。p 高亮度发光二极管是在g a a s 衬底上匹配外延的，它的外 量子效率受限于吸收光线的g a a s 衬底。l e d 晶片键合技术可以把l e d 外延片 和g a p 透明衬底、金属镜面衬底或蓝宝石衬底结合以提高光效率。 例如a 1 g a i n pl e d 就是将g a p 透明衬底和a 1 g a i n p 发光二极管集成在一 起，用直接键合技术产生一个牢固的、低阻的、光学透明的键合界面”1 。如图 1 3 所示。先在g a a s 衬底上生长晶格匹配的( a 1 ，g a 。一。) m i n 。p 双异质结，接 着在生长一层g a p 窗口层，然后去掉g a a s 衬底，将暴露出的( a l 。g a 。) 。i n 。p 双异质结和g a p 衬底在高温和同轴应力下实现晶片键合，形成a 1 g a i n p g a p l e d 。这种l e d 具有很高的效率和稳定性。 g a p ( a l 。g a l 一。) 0 5 工n 0 5 p g a a s 金属电极 图l 一3a l g a i n p g a pl e d 的制备过程 f i g 1 3p r o c e s so fa l g a i n p g a pl e dp f e p a r a t i o n 另外，用直接键合技术还可以制备g a a s 基的长波长激光器、高量子效率 双波长谐振腔光探测器等。 1 3 本论文的主要研究工作 本论文主要对低温硅硅直接键合的新技术进行了研究，对键合界面性质 进行了讨论，并对键合技术在室温红外探测器封装中的应用做了大量工作。 主要进行的研究工作概括如下： 1 针对目前m e m s 工艺中最重要的硅硅直接键合工艺中存在的问题， 提出了一种新颖的硅硅低温直接键合技术：基于c f 。等离子体的低 温直接键合技术。在以往的硅硅直接键台工艺中，操作环境的超净 北京工业大学工学硕士学位论文 度一般在l o o 级甚至1 0 级才能实现硅硅的成功键合。而该方法可 以在超净度为万级时实现2 0 0 的低温键合，大大降低了直接键合 对环境的要求。而且该方法区别于其他等离子体键合方法的最大特 点是：在提高硅片表面激活能的同时大大降低了硅片表面的粗糙 度。并对该方法进行了理论研究，对其键台机理进行了讨论。 对键合界面的性质进行了研究。键合界面氧化层对电学特性的影 响；硅硅直接键合过程中杂质再扩散的模拟分析；建立了键合界面 位错模型，得到硅片晶向扭转对界面位错的影响。 对室温红外探测器的封装进行了研究。针对器件进行静电键合过程 中所出现的薄膜易损的现象，设计了双电场的静电键合方法，并成 功应用到了器件的封装中；为了实现全硅工艺，设计了金硅共熔的 键合工艺方法，并对器件进行了成功的封装，得到了初步测试结果。 并对硅硅直接键合在室温红外探测器中的应用进行了工艺探索。 第2 章硅硅直接键合的原理和方法 第二章硅硅直接键合的原理和方法 硅硅直接键合技术的特点是不使用黏合剂，依靠硅片表面的化学键相互连 接。1 9 8 6 年，i b m 公司的l a s k y 和东芝公司的s h i m b o 等通过硅片室温预键合 后高温处理来进一步增加键合强度，获得了较好键合质量的键合硅片，从此硅 片键合技术的研究和应用开始快速发展。 直接键合可以大致分为三步： 1 )表面处理：包括表面清洗，亲水或疏水处理等； 2 )预键合：将处理的硅片面面贴合，使两硅片通过范德瓦尔斯力结合； 3 ) 热处理：在1 1 0 0 左右的高温下，并用n 2 或0 2 保护，使两硅片通过 化学键结合。 2 1 硅硅直接键合的原理 我们已经知道硅单晶是金刚石结构的晶体，这就决定了在硅单晶中，每 个原子都有四个最临近的原子，它们之间通过共价键连接在一起。那么在解 理晶体的自由表面存在断裂的价键，价键电子既没有配对，也没有饱和，电 性能不稳定，称为悬挂键。悬挂键上只有个电子，可以释放一个电子( 施 主) ，也可以吸收一个电子( 受主) 。表面悬挂键越多，表面能越大，吸附能 力也就越强。对于面心立方的金刚石结构在( 1 0 0 ) ( 1 l o ) 和( 1 1 1 ) 平均每个 表面原子分别有2 根、l 根和1 根悬挂键，每平方厘米断裂键数分别为4 2 、 2 2 氏2 、4 3 2 ( 其中为晶格常数) 。可见( 1 0 0 ) 面断裂键密度最大， ( 1 1 0 ) 面次之，( 1 1 1 ) 面最小。因此( 1 0 0 ) 面具有最大的表面能，所以( 1 0 0 ) 面作为键合表面更容易获得较高的键合强度“”。又因为能量最低的状态是最 稳定的状态，因此为降低表面自由能，表面原子结构发生重排并吸附外来原 子。依据这特点可以对硅片表面进行亲水处理或疏水处理。纯净的硅片表 面是疏水的。亲水处理就是使硅片表面吸附羟基( 0 h ) ，羟基具有吸水性， 可以物理吸附水而形成氢键，所以表面具有亲水性。如果两个亲水的硅片表 面贴合，他们之间就会通过吸附的水分子之间的氢键发生自发键合。人们根 据这一现象提出了亲水键合的三水分子模型，来解释硅硅直接键合的原理。 疏水处理就是在亲水处理后，在用稀释的h f 溶液去掉表面氧化层，形成疏水 表面。 表面处理的目的在于去除硅片表面沾污，并使表面达到亲水或疏水状态。 根据表面状态的不同，键合机理也有所不同。通常使用的亲水处理溶液为 r c a l ( n h 4 0 n h 2 0 2 h 2 0 ) 和r c a 2 ( h c l h 2 0 2 h 2 0 ) 。在此基础上，用再经 过h f 溶液处理，硅片表面就成为疏水状态。有时也会使用h n 0 3 溶液对硅片 进行亲水处理。 图2 1 为硅片亲水键合的三水分子预键合模型o “。当具有亲水性表面的 硅片接触以后，氢键会作为桥将两个硅片表面的0 h 原子团连接起来，氢键 的存在保证了预键合的实现。键合模型为s i o h ( h o h h o h h o h ) o h s i 。0 h 团的键长为o 1 0 l n m ，以氢键连接的两个氧原子间距为o 2 7 6 n m 。 即使硅片之间的距离达1 n m ，多个水分子之间形成的桥也能将硅片连接起来， 这就是表面相对粗糙的硅片也能键合的原因。 j p 兰 2 0 a 1 1 d ( b ) f o rt h ec a s eo f r q “ 当砂2 0 ( 图2 2 ( a ) ) 时，间隙是否能够贴合依赖于硅片的厚度，而且硅 片的起伏高度不能超过一个最大值： 办 当露谨o ( 图2 2 ( b ) ) 时，硅片起伏高度应满足的条件是 ( 2 1 ) i ! 耋三、业查兰三耋2 圭兰竺兰兰 3 5 ( 月，e 1 ) “2 ( 2 2 ) 其中 e = 专 1 为硅片的杨氏模量，v 为硅片的泊松比， y 为键合片的表面能。 如果硅片表面有小粒子沾污，也会在键合界面上形成空洞，如图2 3 所 示。 当肜押时，由于沾污引起的未键合区域的半径斤可表示为： r = 陟玎2 c z 叫 当宵 t w ( b ) r 加乓 ( 2 6 ) 即入射光的频率大于1 1 0um 时就能穿透硅片“”。而当硅片键合界面上存在 空洞时，入射光就会被吸收。红外光正好满足这个要求，因此使用红外透射 检测法来检测键合界面是否存在空洞。图2 7 为红外透射检测系统示意图。 若键合界面处没有空洞，则i r 图像为均匀一致的浅色区域：如果界面处存在 空洞，则图像上将相应的呈现深色区域。 图2 7 红外透射检测系统示意图 f i g 2 - 7s c h e m a t i cc o n n g u r a t i o no fa ni m a g i n gs y s t e mf o r d e t e c t i n gi n t e r f a c eb u b b l e si nb o n d e ds i ，s ip a i r s 当硅片的掺杂浓度提高时，禁带宽度变窄，根据式( 2 6 ) 入射光的最 小频率增大，红外光的透射率变小，即红外透射检测能力降低。 第2 章硅硅直接键合的原理和方法 2 5 1 2x 射线透射检测法 对于单晶物质来说，x 射线透射可以得到偏离理想晶格结构的图像。使用 垂直入射的x 射线和一条单色x 射线扫描键合片，两条射线之间的夹角为口 ( 布拉格角) 。经晶格衍射后，两条射线的夹角就会改变。如果硅片上存在应 力中心、空洞或晶格缺陷，衍射后的射线束密度就会改变，然后在镜头处成 像。x 射线具有典型的空间精确度：2 2 0um ，优于传统的红外线，因此比较 适合测量非常小的界面空洞”“。但是，使用这种方法价格昂贵而且所需时间 较长。 2 5 1 3 超声波检测法 超声波显微镜已经主要应用在材料研究中。如果选择的频率合适 ( 1 6 0 m h z ) ，超声波也可以用来检测键合界面的空洞。这是因为超声波可以在 硅中传播，但不能在真空中传播，因此如果超声波打在键合片界面的空洞上 时，反射信号就会增强“。据此可以检测界面上的空洞。 2 5 2 破坏性测试方法 破坏性测试主要用来测试键合强度。只要达到一定强度的键合片才能继 续使用，来制造各种器件。键合强度有的用力来表征，有的用功来表征。但 无论怎样表征，我们所要求的键合强度都应超过体硅的断裂强度。主要方法 有裂纹传播法、直拉法等。 2 5 2 1 裂纹传播法 图2 8 裂纹传播法示意图 f ig 2 8s c h e m a t i cd i a g r a i 口o ft h ec r a c k o p e n i n gm e t h o d 在图2 8 为裂纹传播法示意图。“。在图中，如为刀片厚度，矿为硅片宽 奢 率 吖强 北京工业大学工学硕士学位论文 发，为硅片l 的厚发，幻为硅片2 的厚厦，仨，为硅片1 的物氏模量，历为 硅片2 的杨氏模量。这种方法主要用来测试硅硅键合片的表面能- “j ”3 。利用 键合片分开部分的弹性力和开裂顶端的键合力相平衡的原理建立方程。系统 总的能量等式： 吃“= 也船1 + 点。船2 + ( n + ，2 ) 加 ( 2 7 ) 式中的弹性胄b 量为。= 畿，其中f i 为弯曲力表示为：f = 訾、厶为 弯曲量的转动惯量上= 警，j = 1 ，2 。将弹性能带入式( 2 7 ) 并计算化简 得： 巨。= 竺墨叠篚挚+ ( 乃+ 托) 上w ( ：一s ) 根据力的平衡条件： 鲁= o c z 吲 可得： ( ) ：坚掣 c z 训， 由于= + 2 ，则根据式( 2 8 ) 、( 2 9 ) 、( 2 1 0 ) 可得 ( 乃+ 咖褊 晓叫， 从而得到键合片的平均表面能为y = 丢( + 儿) 。当键合片为相同晶片时( 即： f 。= 0 ：= 0 ，置= 易= 五) ，平均表面能可表示为： ，= 等 c z 吨， ，2 者 ( 2 1 2 ) 当f 。：0 。，置= 易= 五时，平均表面能可表示为 ，= 警 c ：堋， 卜可尹 叫3 ) 这种方法还必须结合红外线系统，因此会受到红外线系统测量精唐的限 第2 章硅硅直接键合的原理和方法 制，而且由于键合能与是四次方的关系，所以一般会有l o 的误差。同时， 刀片的插入是用手做的，插入的力度、深度和速度都会影响测量结果。 2 5 2 2 拉力测试法 拉力测试法是通过测量拉开键合片的最大拉力来表示键合的强度。但是 因为拉开键合片的力变化过程不能测量，所以无法求出键合能量。有三种拉 力测试法的测试结构：用相反方向的拉力垂崮拉开键合片；将键合在厚晶片 上的薄晶片拉下；在键合界面处形成一个支点，相反方向加力。如图2 9 所 示。第一种结构对样品从键合片上切下来所带来的残余损伤非常敏感。第三 种方法的特点是可用来研究硅片键台过程中的动力学变化，可测出键合各个 阶段的键合强度，而且减小了样品本身应力对测量结果带来的影响。测量仪 器和外界污染所带来的误差般在l o 以内o “”1 。 这种方法要保证所使用的黏合剂的强度大于体硅的强度，否则实验式就 会在黏合剂处裂开。键合效果最好的测试结果应该是键合片本身开裂。 图2 9 三种拉力测试法 f i g 2 9t h r e et e n s i l es t r e n g t l lm e a s u r e m e n tc o n d f i g u r a t i o n s 另外，人们还提出了种新的非破坏性测试方法一一颗粒法。”。根据颗 粒周围未键合区域的表面能与弹性能之和达到最小值时键合达到平衡建立方 程，解出表面能y 。 2 6 一种新颖的键合技术的提出 我们提出了使用c n 等离子体处理的新型的低温硅片键合方法。即先用等 离子体激活处理硅片，使硅片表面原子处于高能量状态，同时使硅片表面的 粗糙度下降。然后，对硅片进行亲水处理，并在室温下甩干贴合。最后，进 北京工业大学工学硕士学位论文 行热处理，处理温度控制在2 0 0 。通过该方法，取得了较好的键合结果。 2 6 1 实验方法 实验使用4 英寸，电阻率为3 0 2 0qc m ，厚度为5 5 0 “m 的商用p 型( 1 0 0 ) 单抛s i 片。等离子体处理使用功率源为s y 型2 0 0 w 功率源的等离子体刻蚀机。 实验步骤如图2 1 0 所示： 硅片卜磁琵固琵琵弦弦羽 常规清洗 等离子体 硅片 c f 4 真空度：0 6 8 t o r r 使用r c a 溶 液对硅片进 行亲水处理 甩干 室温贴合 1 8 0 预处理 n 2 保护2 0 0 温 度下退火数小时 图2 1 0 基于c f 4 等离子体的低温硅硅直接键合技术实验步骤示意图 f i g 2 - 1 0f 1 0 wo fs i l i c o nd i r c c tb o n d i n gb 龉e do nc f 4p l a s m ap r o c e s sa tl o wt e m p e m m r e 具体实验步骤如下： 1 ) 用丙酮棉将硅片表面擦拭干净，放入装有去离子水的烧杯中超声清洗 一 ii一一。一 第2 章硅硅直接键合的原理和方法 去除硅片表面的微小颗粒；超声时间为1 0 分钟； 2 ) 用丙酮、无水乙醇溶液去除硅片表面的有机沾污；用h ：s o 。溶液去除硅 片表面的金属沾污；每一步处理后都用去离子水将硅片冲洗干净； 3 ) 将硅片甩干，用c r 等离子体对硅片表面进行激活处理：先将反应腔抽 成真空，真空度为6 8 e l t o r r ，充入反应气体c r ，控制射频功率来控制等离 子体对硅片的处理程度。射频功率为l o w ：时间为1 0 分钟。 4 ) 将经过等离子体处理的硅片放入r c a 溶液中进行亲水处理； r c a l ：nh 4 0 h ：h 2 0 ：h 。0 = 0 2 5 ：l ：5 ，处理温度8 0 ，时间1 0 分钟； r c a 2 ：h c l ：h 2 0 。：h 2 0 = 1 ：1 ：5 ，处理温度8 0 ，时间l o 分钟； 每一步处理后都用去离子水将硅片冲洗干净； 5 ) 将硅片甩干室温下贴合； 6 ) 将贴合好的硅片在1 8 0 下进行预键合，时间为4 小时； 7 ) 在n 。保护下，2 0 0 退火数小时，使硅片键合在一起。 2 6 2 实验结果及分析 硅片在n 2 保护下经数小时2 0 0 退火后，用刀片插入，发现周边部分刀片 很容易插入，硅片键合效果不好；但中间大部分刀片无法插入，硅片已成功 键合在一起。将键合在一起的片子划成几部分后，做拉力测试，发现键合片 从体硅处断开，而键合面完好，如图2 1 l 所示。因此认为此时键合片的键 合强度已经超过了体硅的抗拉强度。 图2 一1 1 键合断裂面 f i g 2 一1 1r u p t u r eo fb o n d i n gp a i r s 我们使用扫描电镜s e m 对硅片的键合界面进行了观察。发现界面处没有 空隙，已达到了完好键合。如图2 一1 2 所示。 北京工业大学工学硕士学位论文 放大倍数：5 0 0 0 图2 1 2 键合界面的s e m 扫描图 f i 9 2 - 12s e mp h o t oo f b o n d j n gj n t e r f a c e ( 5 0 0 0 x ) 对键合好的片子使用场发射透射电镜f e t e m 进行观察，在键合界面两侧 可以看到几条应力线，如图2 1 3 所示。 图2 一1 3 键合片的应力线 f i g 2 一1 3s t r e s sl i n ei nb o n d i n gw a f e 。 从图2 一1 3 中可以看到，在应力线两处晶格发生了扭曲，形成了刃型位 错。应力的产生可能有几种原因：在退火过程中产生的热应力，制样过程中 形成的晶格断裂或机械应力等。而且这些应力线离键合界面很远，不影响键 合效果。 2 7 本章小结 本章讨论了硅硅直接键合的原理，介绍了几种硅片表面处理方法和硅硅 直接键合的方法，给出了键合质量检测的各种方法。最后提出了一种新颖的 低温硅硅直接键合的方法，并给出了2 0 0 热处理的键台结果。 第3 章新型低温硅硅直接键台技术的研究 第三章新型低温硅硅直接键合技术的研究 随着现代微电子工艺水平的不断提高，键合技术已不限于硅片之间的键 合，其它半导体片甚至非半导体材料也可相互键合，不论材料的结构、晶向、 点阵参数和厚度如何，只要表面的化学态和平整度合适，在一定的条件下两块 抛光片就能键合在一起“。键台正成为材料复合的一种重要技术。但是如果 退火温度太高，就会带来许多负面效应，影响键合的应用范围。如高温会引 起杂质的再扩散，会在键合界面上产生热应力等等。所以如何降低退火温度 实现低温键合，是当今直接键合技术领域的一大研究热点。 3 1 低温直接键合的常用方法 若要在较低温度下获得很高的键合强度，有两种途径。其一是在超高真 空( u h v ) 的环境内使超净表面结合在一起，键合时可外加机械压力，也可不加 压力。此时，界面上有部分区域是共价键结合。室温下键合强度与8 0 0 退火 的键合强度相当。另一条途是在材料表面引入活性层，即通过“表面设计”， 使活性层之间能相互