（微电子学与固体电子学专业论文）硅硅直接键合的理论及工艺研究.pdf

硅硅直接键合的理论及工艺研究 摘要 两个表面平整洁净的硅片在一定条件下可以通过表面的化学键互相连接起 来，这就是硅硅直接键合技术。它由于其灵活性和半导体工艺的兼容性已经引 起了广泛的重视。但由于随着键合面积增大，界面空洞的消除问题还未得到有 效的解决，从而得不到较强的键合强度，因此要将这种技术实用化还需继续进 行研究。键合技术用于电子器件的制造已经被证实有独特的优点，但界面过渡 区的控制还是一个难点，其工艺还有待研究。 本文系统地论述了硅硅直接键合的工艺机理、工艺过程及其各种检测方法。 首先对s d b 的工艺机理进行了说明，并分析了引起键合界面空洞的原因，提出 了增强键合强度及控制键合界面电学特性的措施。键合的工艺过程包括：表面 清洗处理、预键合和高温退火。根据课题目标，改进了键合工艺，得到了键合 强度与体硅相当的键合片。介绍了衡量键合片质量的各种检测方法原理，并开 发了相关检测设备为实验服务。 硅键合片的缺陷主要集中在键合界面，键合强度受到很大影响。通过 w e i b u l l 分析理论来研究键合片界面缺陷的分布情况。而且对键合强度分析具有 实际的指导意义。本文理论推导分析出了键合片的缺陷分布与w e i b u l i 模数聊之 间的关系。此关系与实验相符，并利用此关系很好的解释了硅片键合强度随退 火温度变化关系。 关键词：硅硅直接键合键合强度空洞键合界面w e i b u l l 模数 t h er e s e a r c ho nt h e o r ya n dp r o c e s so fw a f e rb o n d i n g t e c h n o l o g y a b s t r a c t w a | e rb o n d i n gt e c h n o l o g yi sap r o c e s st h a tt w oc l e a na n d n a tw a f e r sa r e j o i n t e dw i t hc h e m i c a lb o n d so nw a f 色r s u r f h c e si na r e q u i r e d c o n d i t i o n t h e t e c h n i q u ep r o v i d e sag r e a tf r e e d o mt oc o m b i n ed i f k r e n tm a t e r i a l s b u tt h ea r e ao f s i l i c o nb e c o m e sb i g g e rm a nb e f o r e ，s ot h e r ea r eb o n d i n gc a v i t i e si nb o n d i n g i n t e r f a c ea n dt h eb o n d i n gs t r e n g t hc a n ti n c r e a s e s ow ew i l lk e e po ns t u d yt h i s t e c h n o l o g y i nt h i sp a p e r ，t h ep r i n c i p l e ，t h ep r o c e s s ，a n dt h em e a s u r e m e n t so fs i l i c o nd i r e c t b o n d i n ga r es t u d i e d t h ep a p e ri sa i m e da tp r o v i d i n ga no v e r v i e wo ft h ec u r r e n t u n d e r s t a n d i n go ft h ef a c t o r sd e t e r m i n i n gt h eb o n d a b i l i t ya n ds t r e n g t ho ft h e b o n d i n go b t a i n a b l e a n d ，t h r o u g hi m p r o v i n gt h ep r o c e s so fs d b ，w ec a nm a k ea p r e f e c ts d b t h ea u t h o ra s s e s s e st h ep r e s e n ts t a t eo ft h ee x p e r i m e n t a lm e t h o d sf o r d e t e r m i n i n gb a s i cp a r a m e t e r sg o v e r n i n gt h ea 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 t e q u i p m e n t t h a td e f e c t sa r em a i n l yi ni n t e r f a c eo fs d ba f 传c t sb o n d i n gs t r e n g t h a c c o r d i n gt ow e i b u l lt h e o r y ，d e f e c td i s t r i b u t i o ni ns d bi n t e r f a c ei ss t u d i e d t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed e f 色c td i s t r i b u t i o no fb o n d i n gw a f 色ra n dw e i b u l lm o d u l u s i sd i s c u s s e d t h i sr e l a t i o ni sc o n n r m e db ye x p e r i m e n t a t i o n s ，a n di tc a ne x p l a i nw h y w a f b rb o n d i n gs t r e n g t hi sc h a n g e db ya n n e a h n gt e m p e r a t u r e k e yw o r d s ： s d b ，b o n ds t r e n g t h ，c a v i t i e s ，b o n d i n gi n t e r f a c e ，w e i b u l lm o d u l u s 合肥工业大学 本论文经答辩委员会全体委员审查，确认符合合肥工业大学 硕士学位论文质量要求。 答辩委员会签名：( 工作单位、职称) 锄蝴；蓖7 逢挺确 庶凡巴z 证天呸锂譬p 免 纠秀 枷州删之里嘉 寸 j 导师： 巧驰2 监六一苫z 躺f 它撕 磊0 么稽 i 诌1 豁摆 f 鬲0 崧维 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 、2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 - 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图3 1 2 图3 13 图3 1 4 图3 15 图3 1 6 图3 1 7 图3 1 8 图3 1 9 图3 2 0 图3 2 1 图3 2 2 图3 2 3 插图清单 硅片亲水表面用氢键和三个水分子连接的室温直接键合模型6 硅片键合过程示意图7 抛光硅片表面结构示意图8 硅片表面的粗糙度检测图9 计算表面形成孔洞时的简化拓扑l o 沾污拉子对键合的影响示意图1 l 键合强度与温度的关系- - 1 2 键合片空洞附近的键合强度分布图1 3 用t e m 方法观测的退火到9 5 0 的亲水键合片1 4 键合工艺流程与配套的检测1 5 x 射线拓扑测量原理图1 6 超声波探测示意图- 1 7 硅键合片空洞超声波检测照片1 7 键合硅片界面空洞i r 探测系统框图- 18 个键合片的i r 图象一1 8 裂纹传播扩散法示意图2 0 用不同的红外线测试方法得到的表面能与退火温度的关系曲线的 裂纹长度与刀片位移的关系 刀片插入速率对键合能的影响 静态液体油压法 四点弯曲分层法结构示意图 m c 测试方法结构示意图 两种直拉法的结构示意图 r d ，占j d nd rs e d ，f 8 5 r 示意图- 一 基于声学的非破坏性测试示意图 颗粒法结构示意图 i r 检测设备照片 i r 检测照片 呈现牛顿环的空洞图象 拉力手柄工程制图 将键合片粘在拉力手柄上 直拉法的设备图 2 1 2 1 2 2 2 2 2 3 2 3 2 4 2 4 2 5 2 5 2 6 2 7 2 7 2 8 2 8 2 9 图3 2 4 图3 2 5 图3 2 6 图3 2 7 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图5 一l 图5 2 图5 3 键合片两断面 键合强度测试设备的设计方案 刀片的结构示意图及其与键合片的位置关系示意图 硅片键合强度测试系统总体框图 接触角a 示意图 键合片断面t e m 观测图 微型超净间预键合过程示意图- 硅片键合扩散过程 键合界面断面照片 一个p n 结的键合界面杂质分布 在拉伸试验中硅键合片界面出的一典型裂纹示意图 退火温度分别在4 5 0 和l 0 0 0 时界面的缺陷 硅片键合表面能与退火温度变化关系曲线的示意图 捞如弛”的“钙钉轫鹕 表格清单 表3 1硅片规格 表4 。1r c a 典型的配比和操作条件一 表4 2不同亲水处理硅片表面的接触角大小 3 0 3 6 3 8 符号清单 硅片厚度 弯曲刚度 杨氏模量 应变能 断裂韧度 力矩 裂纹长度 相对折射率 w e i b u l l 模数 功 刀片厚度 拉力 键合片样品宽度 断裂概率 密度概率 界面能 泊松比 表面能 应力 红外光波长 ( 1 ) 吸收系数，( 2 ) 接触角 裂纹半长 裂纹角度 c c 6 ) ) “d e研厨m上m m矿“f玑足戌6 v y 盯a a 口p 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导f 进行的研究工作及取得的研究成果。据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得金照王些盔堂 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同t 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谢 意。 学位论文作者签字：崔j 慧滢签字日期：1 力裤乒月，日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解金起工些盘堂有关保留、使用学位论文的规定有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人授权金 胆王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：名 穗葱 导师签名 签字日期：护哆年争月f 日 签字日期： 口牌月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：上潘南性能璨戍电路设计中，u 电话 通讯地址： 邮编 辨 致谢 本论文得以完成，首先得感谢王建华、黄庆安两位导师的悉心指导。无论 从课程学习、论文选题，还是到收集资料、论文成稿，都倾注了两位老师的心 血。由衷感谢王建华老师在学业指导及各方面所给予我的关心以及从言传身教 中学到的为人品质和道德情操，老师广博的学识、严谨的治学作风、诲人不倦 的教育情怀和对事业的忠诚，必将使我终身受益，并激励我勇往直前。 同时，真诚感谢合肥工业大学理学院和东南大学m e m s 实验室的全体老 师，他们的教诲为本文的研究提供了理论基础，并创造了许多必要条件和学习 机会； 特别感谢张会珍老师在课题研究和实验方面给予我的大力支持和帮助。 感谢所有的同学给予的帮助。 作者：肖滢滢 2 0 0 5 年1 月 1 1 晶片直接键合及其发展 第一章绪 论 晶片直接键合( w a f e rd i r e c tb o n d i n g ，w d b ) 是将两片表面清洁、原子级平 整的同质或异质半导体材料经表面清洗和活化处理，在一定条件下直接贴合， 通过范德华力、分子力甚至原子力使晶片键合而成为一体的技术。利用该技术 可实现单片或准单片集成，使系统、电路、器件、材料的一体化优化设计成为 可能。由于该技术与晶片的晶向、晶格常数、结晶形态( 单晶、多晶、无定形或 非晶) 、掺杂类型、掺杂浓度及分布等无关，因此w d b 技术的研究具有广阔的 应用前景。目前，半导体键台技术的主要应用于两个方向。一个是硅基材料的 直接键合：( 1 ) 硅硅之间的键合，用以制造超大规模集成电路和大功率器件的 衬底；( 2 ) 硅一i v 族材料之间的键合，利用成熟的微电子工艺和v 族材料 的发光特性，实现光电集成。另外一个是非硅基材料的键合，目前主要是i i i v 族材料( g a a s 、i n p 等) 之间的异质键合，通过键合工艺改善光电子器件性能 和制造高性能的准单片集成器件。 关于晶片键合的概念很早就有人提出过，但真正得到发展却是始于8 0 年代。1 9 8 1 年德国函门子公司的研究人员提出了真空金属键合技术【2j ，1 9 8 3 年 m k i m u r a 等人提出了利用粘合剂的键合方法【3 1 1 9 8 5 年通用电气研究和发展 中心的t r a n t h o n g 提出了阳极键合( 即场助键合) 的技术【”，使硅片和玻璃 键合在一起，并应用于传感器和微机械系统，但它不能将两个晶片进行直接键 合，而且不能与m o s 工艺相容。直到1 9 8 5 年底j b l a s k v 提出了s i 片直接 键合技术( s i l i c o nd i r e c tb o n d i n gt e c h n i q u e ，简称s d b ) i “。相对于m o c v d 、 l p e 、m b e 等这些常用的外延生长方法，直接键合技术以它独特的优越性引起 了人们广泛的关注。直接键合技术无需任何粘合剂和外加电场，只需将两片表 面光洁平整的晶片经过一定的处理后在一定温度和压力下接触即可实现。它的 原理、方法和实验设备都比较简单，而且与键合材料的结构、晶向、点阵参数 均无关。直接键合技术的灵活性和方便性使得它越来越多的在s o i 结构、微机 电系统( m e m s ) 和压电、声光器件当中得到应用。随着其不断发展和成熟， 已成为器件制备的一个重要工艺技术。 国际上超大规模集成电路的发展，晶片的研磨抛光技术的成熟，以及空气 与水净化技术的进步，使得硅片直接键合工艺简单了许多。同时硅片直接键合 所具备的优越性也使之很快得到了广泛的应用。 1 2 硅片直接键合技术的应用 硅硅直接键合技术由于工艺简单，不会引入应力而受到了人们的青睐，较 多用于s o i 结构、m e m s 和一些压电、声光器件的制备，在质量和工艺检测、 环境监测、生物医学分析器件和航空航天上都有着广阔的应用前景。 1 2 1 国外的发展和应用现状 1 2 1 1 在s o i 结构中的应用 s o i 结构可由两硅片直接键合，其中一片或两片都沉积上氧化膜层，然后 将两硅片在一定温度下键合。用键合方法制备s o i 材料工艺简单成熟，s i 0 2 层 性能良好，厚度容易控制。它已经作为一种生产s o i 结构的广泛的应用手段， 国外许多公司对直接键合的s o i 片进行了大规模的投产。但一般来说键合需要 耗费两块晶片，成本过大，且难于获得均匀超薄的顶层硅膜。m b r u e l l 6 1 提出的 s m a r t c u t 技术可较好的解决这一问题。s m a r t c u t 技术是一种注入氢离子然后进 行剥离的技术，即在键合的一片晶片上注入氢离子，然后和另一硅片在定温 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 0 i 结构。被剥离的硅片可以循环利用，不至于造成浪费，也 可以形成超薄的硅膜。 影响直接键合方法制备s o i 材料的另一个不利因素是键合退火通常需要高 温( 多在1 1 0 0 以上【7 】【8 1 ) 。高温时氧化物开放式结构会吸附分解的气体杂质【9 1 ， 使得界面中大的气体分子得以扩散，有助于除去界面中气泡和空洞，同时高温 下氧化物的粘性流动也可能会填充未键合区域，从而能够得到高质量的键合。 但高温会影响器件的性能，也限制了直接键合方法的运用。2 0 0 1 年，j w l e e 【1 0 】 提出了一种新的退火方式，即线性退火方法，利用一个类似于区域熔融系统的 设备，可以实现温度低于5 0 0 的退火，避免了高温对器件的不良影响。 1 2 1 2 在m e m s 中的应用 对m e m s 的研究主要基于硅材料，m e m s 机械加工使用最广泛的是表面微 机械加工和体硅微机械加工。表面微机械加工技术由于与i c 平面工艺兼容性 好，得到了广泛的应用，但纵向尺寸受到限制。体硅加工技术各个方向都不受 限制，具有极大的灵活性，但加工技术与i c 工艺不太兼容，克服这个缺点的方 法只能是键合技术。1 9 9 8 年，荷兰r r w e n t e 大学m e s a 研究所用直接键合的方 法制备出纵横比很高的多层衬底( s i s i 0 2 一p s i s i 0 2 s i ) 【】，该结构表现出了 良好的机械性能，器件的结构灵活性增强，仅受r i e ( r e a c t i v ei o ne t c h i n g ) 工艺 的限制，与i c 工艺完全兼容，且是典型的三维衬底，有利于三维器件的制各。 瑞典u p p s a l a 大学最早制出了用于生物医学的遥控压力检测的无源s i 传感 器，用各向异性腐蚀出凹坑的硅片和p + 层硅片薄膜键合作成传感器的敏感元 件，形成共振电路的电容。 2 1 9 9 8 年，d g o u s t o u r i d i s 等【”j 将掺硼( 扩散厚度0 8 m ) 且表面热氧化层被 腐蚀出图案的硅片与衬底进行直接键合，然后对键合后的整体结构进行机械、 化学减薄，使带图案的硅片部分只留下氧化层和掺硼的硅膜，制备了面积最小 的超小电容型压力传感器阵列，彼此间用铝连接起来，单个传感器大小仅为 1 3 0 “州。 2 0 0 2 年，希腊的s c h a t z a n d r o u l i s 【1 3 l 等人将一片表面磷掺杂且表面刻蚀有 图案的化学氧化层与另一片表面有一层硼掺杂的s i l 一。一。g e 。b 。外延层的硅片进 行直接键合，然后以此为基础制备了湿度感应器。 1 2 1 3 在压电、声光器件和其他方面的应用 1 9 8 6 年日本东芝公司采用硅直接键合( s d b ) 技术已研制出18 0 0 v 的绝缘栅 双极晶体管( i g b t ) 和5 0 0 v 的功率i c 。1 9 8 7 年东芝公司采用s d b 技术批量生 产固体继电器用介质隔离光电二极管阵列。 1 9 9 5 年，匈牙利的r w i g e t 对 硅片键合，然后在上面制备出品质优 良的p i n 二极管1 1 4 】，其击穿电压为1 4 0 0 v ，电流密度为2 a m m 2 。 1 9 9 9 年，日本的 ln a k a n i s h i 对h f 酸腐蚀的s i 0 2 s i 0 2 键合做了研究i ”j ， 得到质量百分比为o 5 的h f 酸浓度，外加压强1 3m p a 时最佳条件为室温下 键合2 4 h ；8 0 ，3 0 m i n ；6 0 ，6 0 m i n 。并应用低温h f 酸键合技术成功地制 备了紫外探测器【”j 。 2 0 0 0 年，日本的t a k a s h i 用硅直接键合技术制备止回阀，然后将之与形状 记忆合金( s h a p em e m o r ya 1 1 0 y ) 驱动器连接，制作出t i n i 形状记忆微型泵浦7 】。 2 0 0 1 年，美国麻省理工大学的a p l o n d e n 等人【1 8 】选取6 片4 英寸( 1 英寸 等于2 5 4 c m ) 双面抛光的n 型 表面蒸镀2 m 厚硅烷氧化物的单晶硅片键 合，制备出微型高压双元液体推进剂火箭发动机。 2 0 0 1 年，日本o k a z u n a r i 等【1 9 懈化学腐蚀出锯齿状图形的硅与硅衬底键 合作出微型锯齿针，然后以此为基础制造出一个包括锯齿针、储血箱及用于对 血组份进行光监测的光纤在内的血采集系统。 1 2 2 国内的发展和应用情况 我国对直接键合的研究起步相对较晚，1 9 9 2 年东南大学的黄庆安等人对硅 硅直接键合进行了研究，1 9 9 4 年浙江大学电工厂的蒋晓波对用于大功率器件 生产的s o i 结构进行研究。1 9 9 4 年电子工业部第2 4 研究所制备了耐压大于4 0 0 v 的v d m o s 器件。浙江大学也利用硅直接键合技术将z n o 压电薄膜技术与表 面微机械加工技术结合起来，制作出一种新型z n 0 多功能器件，如z n o 压电 薄膜表面微机械传感器。同年东南大学微电子中心也制备了场发射硅尖真空微 电子二极管，随后又于1 9 9 5 年用直接键合代替三重扩散，生产出特性较好的 d k 5 5 双极功率器件；1 9 9 6 年结合s l m 0 x 和硅片直接键合( s d b ) 技术制备出硅 膜均匀，埋层为高质量热氧化层的s o i 材料：1 9 9 8 年底将带图形的硅片键合技 术应用在微真空二极管的封装和红外探测器的制备上。与此同时，清华大学工 程力学系、复旦大学电子工程系、中国科学院半导体研究所等多家科研单位也 都先后对晶片键合技术进行了研究。河北工业大学的硅硅键合专利技术已实现 了半导体高反压、大功率硅器件衬底制备技术的新突破，并在9 9 ( 石家庄) 全国 专利技术发明博览会上转产。但与国外比较，国内对硅硅键合研究仍相对较少， 而且较多的集中于实验方法、界面性质及表征和界面能计算等方面，用于器件 制备的不多，从实验到生产的转化更少。而国外已有很多公司生产硅键合片 ( s d b ) 和利用硅直接键合技术制备的s o i 片( s d b s o i ) ，如美国的m o t o r 0 1 a ， h a r r i s ，h p ，i r ，s i b o n d ，i b m ，t i ，i b r i s ，日本的东芝，信越，n t t ，三菱， 佳能，韩国的三星，法国的s o i t e c 等公司。一些公司的年产量甚至达到数百力 片。我国的硅片直接键合技术和材料生产与国际水平相比，还有一定差距。 1 3 本论文的工作 l - 3 1 论文工作的原由 s d b 技术的特征在于它与半导体及集成电路加工技术的兼容性和自身的 灵活性。v l s i 的发展使硅片表面更为光滑、平整与洁净，这种发展与s d b 对 硅片本身的要求完全一致；s d b 的灵活性表现在可以实现不同晶向、不同掺杂 类型、不同杂质浓度、不同硅片厚度和表面带有s i 0 2 层的硅片键合。s d b 技术 使硅材料和v l s i 技术的潜力得到了充分地发挥。 特别是，硅硅直接键合( s d b ) 的优点在制作高压器件和功率集成电路方面 显示出了其特有的魅力【2 0 1 。但由于硅片尺寸的增大，键合面积也随之增大。现 有的工艺过程不能消除键合界面的空洞并得到质量完好的键合片。这使得用硅 硅直接键合材料制作电子器件的成品率不高。 因此，作为微电子器件特别是高可靠军用器件急需的关键技术和材料，开 展这方面的研究不仅对我国在研的高科技新品任务具有重大推动作用，而且对 未来的微电子新品研制和产品更新换代具有重要意义。 1 _ 3 2 论文工作的目的 本论文的工作目的是：( 1 ) 利用硅硅直接键合技术制作出4 寸s d b 材料， 改进硅硅直接键合的工艺，使键合界面无空洞，提高键合强度，使该材料能够 满足制作电子器件的要求；( 2 ) 研究硅键合片界面缺陷的分布情况，直观的体 现键合的好坏。 1 _ 3 3 论文工作的意义 随着微电子加工工艺的飞速发展，不断有新的工艺方法出现。硅硅直接键合技 术是指通过化学和物理作用将硅片与硅片紧密地结合起来的方法。它可以将表面加 工和体加工有机地结合在一起。 4 硅硅直接键合技术的逐渐发展和完善，使键合技术正逐渐成为集成电路中 主要的工艺方法之一，在微电子学中的应用也日益普遍。键合技术和其它工艺 技术结合起来，可以产生很多新的应用。但是还需要进一步提高硅片键合的质 量，提高成品率，降低成本，才能获得更广泛的应用。 在键合技术中，键合强度是一个非常重要的参数。它是关系到键合好坏的 一个技术指标：键合强度小，在加工过程中键合片很有可能会开裂，导致失效； 只有键合强度大，才能保证产品的成品率和质量。在工业中应用的许多器件都 要求有强的键合强度和稳定的键合界面。但由于硅片键合工艺，得到的键合片， 缺陷主要集中在键合界面，其中缺陷包括空洞、微孔、裂纹及位错，从而影响 硅片的键合强度。因此，改进硅片直接键合的工艺，提高键合强度具有重要的 意义。 第二章硅硅直接键合的工艺机理及质量控制 2 1 硅硅直接键合工艺机理 至从提出硅硅直接键合工艺，人们对键合工艺装置进行了不少改进，但键 合的基本过程是类同的。 直接键合技术主要过程可分两步：首先将两片镜面抛光的晶片( 氧化或未 氧化) 经过化学处理后，在室温下将两个晶片面对面粘贴在一起。两晶片就通 过表面吸附的分子膜建立起氢键链接，这一过程被称为预键合。然后对预键合 的晶片进行高温退火处理，使界面原子的排列发生重组和相互溶合，界面形成 牢固的共价键链接。这个过程就是热键合。 、心 l o ，2 柏n mh o 蒹1 ：扣h 。 引 心 图2 1硅片亲水表面用氢键和三个水分子连接的室温直接键合模型 在垂直于硅片表面方向，硅片体材料的三维晶格周期性被破坏，电子势能 不存在平移对称性。处于晶体内部的原予受到最近邻和次近邻原子对称力场的 作用而处于平衡态，处于表面的原子由于非对称力场从而存在指向空间的剩余 结合力，形成表面悬挂键。为使表面自由能最小，表面原子结构发生重排并吸 附外来原子。直接键合机理因硅片表面悬挂键终端原子的不同而不同。当硅片 在清洗后提出水面时，表面不沾水为疏水性处理；提出水面时，表面吸附一层 水膜为亲水性处理。纯净的硅片表面是疏水性的，将硅片浸入氧化性溶液的瞬 间，硅片表面就会生成氧化层。硅氧化层表面因化学极性的作用存在非桥键的 羟基( o h ) ，即硅醇键s i o h 。由于羟基是亲水基，易于物理吸附水而形成氢键， 所以表面具有亲水性。以羟基团为终端的硅片表面通过吸附的水分子之间的氢 键发生自发的键合l “。亲水键合模型为s i o h f h o h h o h h o h l o h s i ， o 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0 2 7 6 n m ( 如图2 一l 所示) 。即使硅片之间的距离达到1 n m ，多个水分子之间形成的桥也能将较为粗 糙的表面连接起来。而用氢氟酸h f 浸泡过的硅片表面是疏水性的，以氢和少 量氟为终端。两个疏水性硅片表面也可以通过氢键互相键合，其模型为s i f m f h f h f l h s i 。h f 的键长为o 2 5 5 n m ，所以即使两个硅片键合表面间 距达到了o _ 8 n m ，仍可以键合上，但疏水表面的硅片在较低温度下键合强度较 低。一般的说，两个亲水性的硅片表面更容易发生键合。因此，亲水性硅片键 合工艺是目前人们研究和应用的重点。具有这种化学表面态的两个硅片粘贴后 经过高温退火，界面面发生成键反应，这样两个硅片通过化学键互相连接起来。 ( 柏 ( ( e ) ( a ) 键合前( b ) 室温键合( c ) 高温键合 图2 2 硅片键合过程示意图 在硅硅直接键合的退火过程中，硅片键合界面的物理化学反应机理【2 】一般可 用三个阶段的键合过程加以描述： 第一阶段，从室温到2 0 0 0 c ，两硅片表面吸附0 h 团，在相互接触区产生氢键。 随着温度的升高，o h 团因得到热能而增大迁移率，表面氢键形成机率也随之增大， 因而使硅片产生弹性形变，键合面积增大，键合强度也增加。温度达到2 0 0 。c 左右， 从这时起，形成氢键的两硅片的硅醇键之间发生聚合反应，产生水及硅氧键，& 口： s i o h + h o - s i 呻s i 一0 一s i + h 2 0 由于硅氧键结合远比氢键牢固，故键合强度迅速增大。到4 0 0 0 c 时，聚合反应基 本完成。 第二阶段温度在5 0 0 一8 0 0 。c 范围内，在形成硅氧键时产生的水向s i 0 2 中的扩散 不明显。而o 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，即： h o h + s i o s i - 2 h + + 2 s i o 。 第三阶段，温度高于8 0 0 。c 后，水向s i 0 2 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 s i 0 2 中，从而产生局部真空，这样硅片会发生塑性变形使空洞消除。同时，此温度 下的s i 0 2 粘度降低，会发生粘滞流动，从而消除了微间隙。超过1 0 0 0 0 c 时，邻近 原子间相互反应产生共价键，使键合得以完成。图2 2 说明了硅片从室温的物理贴 合到高温退火过程中键合界面的变化。 2 2 键合界面空洞的产生与控制 硅硅键合材料在随后器件制造过程中必然会承受机械磨片、抛光等的处理。在 键合片的空洞周围应力集中，在进行磨片、抛光处理时空洞及其周边区域可能会发 生破损、脱落现象。因此，为提高键合材料的可靠性和随后器件制造的性能和成品 率，应保证键合界面无空洞。 为消除键合界面无空洞，对键合界面空洞的成因进行研究是有必要的。实验研 究表明【3 】，键合界面空洞形成的原因主要有三种：表面平整度、粒子沾污和表面挥 发物质。 2 2 1 表面平整度和微观粗糙度的影响 对硅片表面进行精密的抛光是键合的最基本环节。常识告诉我们，两个不平整 的表面若不靠胶体作为媒介是不可能粘接在一起的。由于键合是原子级水平的互相 作用，所以键合的表面一定要平整光滑。即使是经过抛光的硅片，其表面也不是理 想的镜面，总是有一定起伏与表面粗糙度。局部范围存在数千埃的起伏及数十埃的 粗糙度，如图2 3 所示。这些因素对键合质量有很大的影响，大则导致键合失败， 小则造成局部区域不能接触成为未键合的空洞，使其质量降低。因此首先在选 用抛光硅片或对硅片实施抛光时，切实做到获得光学二级以上的优级表面。 图2 3抛光硅片表面结构示意图 对于室温下键合的硅片，平均表面微观粗糙度r m s 小于o 4 n m 就能得到完美 的键合片。我们利用原子力探针对待键合的硅片表面进行粗糙度检测，图2 4 、 图2 5 是两个硅片表面的粗糙度检测图。这两个硅片分别与标准硅片键合，图2 4 对应的硅片难键合，界面有许多空洞；图2 5 键合无空洞。这表明有较小粗糙度 的硅片在键合过程中，会由于硅片的弹性形变和高温下的粘滞汇流，使硅片完 全键合在一起，界面不存在空洞。 硅片的平整度也影响着键合质量【4 1 。下面将从理论上得到键合硅片对表面 平整度的要求。 抛光硅片表面起伏可用正弦波形来描述( 当然每次起伏的幅度和周期不 图2 4 图2 5 同) ，如图2 6 所示，设单个硅片的厚度为“，表面起伏高度为2 ，凹部为一圆 9 形区域且半径为口，p 表示硅片表面单位面积上所受到的吸引力，由于引力p 作用 使硅片表面位移w 。对表面凹部用球面描述，若形变为 ，就可键合完好；若高 度高于 ，则有可能形成孔洞。形成孔洞的尺寸显然与凹部的长度和高度有关。 若假定键合过程中接触点处键合牢固，凹部的弹性形变不会引起键合点的 横向位移，这样可满足弹性力学接触点固定的边界条件。由此，根据弹性力学 的薄板理论，得到中心点处的位移【5 l ： w = 瑚4 ( 6 4 d ) ( 2 1 ) 式中d = 毋： 1 2 ( 1 一v2 ) 】称为弯曲刚度。 若凹部中心点处能键合上，就不会形成孔洞，所以 而= 阳4 ( 6 4 d )( 2 2 ) 图2 6计算表面形成孔洞时的简化拓扑 由于键合的匹配过程引起硅片表面位移为 ( 其中设r 为界面能) ，则根据 能量守恒定律，吸引力p 所做的功等于界面能的增加。鉴于p 与两硅片之间的距 离有着复杂的函数关系，因此，作了一级近似，就有 却“笤( 2 3 ) 结合上式，( 2 2 ) 式可写为 2 口4 = 占( 6 4 d )( 2 4 ) 因键合能为固定值，故( 2 4 ) 式就是键合过程不形成孔洞的阈值条件，即表 面起伏高度和宽度满足的方程。一般情况，不形成孔洞的判据为： 自2 口4s 占“6 4 d ) ( 2 5 ) 若键合过程中，接触点键合不牢固，凹部的弹性变形引起了键合接触点的 横向位移，这样则满足弹性力学接触点简支的边界条件。类似于前一种假设的 推导，可得到不形成孔洞的判据为： 2 d 4 茎【( 5 + y ) ( 1 + v ) 】占( 6 4 d )( 2 6 ) 由于键合过程是一种复杂过程：接触点处可能位移，但不是自由位移，所 以，周边固定或周边简支的边界条件是两种极端情况。又因v = 0 2 3 ，故( 2 5 ) 和( 2 6 ) 式有相同量级。考虑到周边固定对硅片平整度要求更严格，所以我们以 前一种假设作为不形成空洞时表面起伏高度和宽度所满足的条件。 o 2 2 2 粒子沾污的影响 显而易见，硅片抛光面上有粒子沾污存在势必会造成空洞。 ia 卜_ 一 髟钐玖么么形勿i t 心腻沁心心n r 图2 - 7沾污拉子对键合的影响示意图 如图2 7 所示，设沾污粒子是直径为r 的钢性球。由于两硅片表面的引力 口的作用，引起沾污粒子附近硅片的弹性变形，远离沾污粒子的硅片可以键合 上。由于沽污粒子不会与硅片形成键合，满足弹性力学中心点简支的边界条件。 根据弹性力学知识，离钢性球r 处，硅片纵向位移为【5 】： w = p r 4 “6 4 d )( 2 7 ) 利用( 2 3 ) 式，上式可写为 w 2 = 政4 ( 6 4 d )( 2 8 ) 在距离粒子d ( 即d = r ) 处，硅已能键合上，又因粒子是刚性的，则有 w 2 = ( ，2 ) 2 = 积4 ( 6 4 d )( 2 9 ) 即可得到： a 2 = 4 ，以厄 ( 2 1 0 ) 因为在月 口的范围内，硅片未键合上，也就是空洞的半径为口。故( 2 10 ) 式表明了沾污粒子大小与引起空洞大小之间的关系。由此我们可以看到一个 l 聊的沾污粒子会在一个4 寸5 2 5 坍厚的键合片中产生大约o 5 c m 的空洞，可 见沾污粒子对键合的影响是何等严重。 2 2 3 表面挥发物质的影响 实验表明不同厂家生产的抛光硅片，表面均存在不同程度的c 、h 、o 。o 的存在是由于硅片表面存在本征氧化层，h 是由于表面吸附或表面处理引起的， c 是由于表面沾污引起的。在室温贴合时，吸附在表面的碳氢化合物仍然存在。 在2 0 0 8 0 0 温度范围内随着温度升高，键合界面空洞数量增多、空洞尺寸增 大。在大于9 0 0 温度下处理，空洞消失。这种与温度有关的空洞是由于碳氢 化合物随温度升高而释放所引起的。 为保证消除这种空洞，采取的措施有：键合硅片在大于9 0 0 下处理：或 键合前，将硅片在高温下先进行退火，然后进行正常的键合。这样在退火过程 中，硅片表面的碳氢化合物即可被解吸附。 2 2 4 其他因素的影响 除了以上三种主要原因外，还有一些因素对键合工艺有一定影响，有可能 形成空洞。键合片在退火过程中，键合界面处会或多或少存在一些气体l6 1 。主 要原因是：( 1 ) 预键合时会有微量空气封入键合界面中：( 2 ) 温度升高使键合 界面多余的水气化、氢氧物质挥发。如果随退火温度升高、时间加长，键合界 面的化学反应和物理反应速率大于气体从键合界面处逸出的扩散速率，气体就 会被封在键合界面中，形成空洞。 为了避免此种情况发生，可采取以下措施：对于前一种原因，预键合操作 可以在抽真空的情况下进行，这是利用马德堡半球的原理，即使两硅片间存在 空隙也能够紧密的贴合在一起；对于后一种原因，退火过程中键合片应竖放投 炉，如果平方投炉，由于上层硅片的压力和硅片表面存在的起伏减小了气体的 扩散速率，界面处的气体不易逸出，就会形成空洞。 2 3 键合材料的键合强度控制 硅片直接键合材料在随后器件制造过程中要承受机械磨片、抛光、高温处 理、化学清洗等处理，因此键合技术中应保证键合强度能够承受这些处理才能 保证键合材料的可靠性。 粕黼黼脚囊嘲驯蚪峨糟湖 图2 8键合强度与温度的关系 图2 8 给出了实验测试的键合强度与温度的关系7 1 。实验结果表明，键合 强度随温度升高而单调增加。键合强度与温度的关系可以分为三个区： 硅片在室温下贴合时，氢键起主要作用，键的数量与表面能成正比。当温 1 2 矿委1 1 b薰霞譬嚣 度在lo o 2 0 0 时，o h 团因获得热能而具有更大的表面迁移率，使更多的氢 键跨越间隙，硅片被紧密的吸附在一起。随着温度的升高，氢键被s i o s i 键 的作用逐步取代，多余的水或氢从界面上扩散出来。当温度达到3 0 0 左右时， s i o - s i 键超过了正在消失的氢键。同时，在该温度范围内，温度升高硅片弹性 形变增加，引起那些未键合的微小区域键合，使键合强度增加。在很高的温度 下，表面的s i 0 2 发生塑性变形、固态扩散和粘滞流动，使键合界面的微观间隙 逐渐消失，并可能形成共价键，使键合强度增加。因此，为了得到较强的键合 强度键合的退火温度应超过9 0 0 。 键合片 体硅 匪看洞 离 图2 9键台片空洞附近的键合强度分布图 键合界面空洞是影响键合强度的重要原因。虽然除了空洞以外，硅片的其 他部分均键合上了，但键合强度并不相同。由于空洞的存在，使得此处的两硅 片并不能贴合在一起在退火处理时发生成键反应，而在空洞周边附近，两硅片 也并不能完好的贴合，造成能够形成的化学键比较稀少，以至于键合强度不高。 因此，硅片键合空洞附近的键合强度分布如图2 9 所示，从空洞未键合处所对 应的强度o 逐渐增加到体硅强度。 为了提高键合强度，还需要加压力以克服表面起伏，增加表面原子间的成 键密度。 2 4 界面电学特性的控制 对于本课题研究的4 寸硅硅直接键合材料，由于键合界面最终将用作电子 器件的p n 结，因此界面的电学特性控制是关键。同时，由于工艺的原因硅硅 直接键合片的界面总是存在一层氧化层，图2 1 0 就是在电子透镜中所观察到的 无定型过渡区，它的厚薄取决于我们亲水处理的方法及键合工艺的具体条件。 虽然氧化层的存在可增强键合强度，但太厚的氧化层会阻碍电流传输。实验表 明婵j ，当键合界面的硅氧化物的厚度小于2 n m 时，硅氧化物的存在不再影响键 合界面的电流传输特性。因此控制氧化层厚度在2 n m 以下也是关键技术之一。 图2 1 0用t e m 方法观测的退火到9 5 0 的亲水键合片 同时，氧化层的存在导致键合片中杂质扩散行为不同与半导体的正常扩 散。键合工艺控制的主要目的要保证界面杂质扩散特性。由于键合界面晶格中 断会产生一定的缺陷，从而降低少子寿命增大漏电流。因此为保证后续器件的 性能，杂质要有一定扩散，以使键合界面位于重掺杂区。但如果杂质扩散太深， 杂质分布将明显偏离突变p n 结，i 区串联电阻增大，使电子器件性能降低。因 此，需要通过键合片退火温度和时间控制，通过工艺优化，达到产品要求。 1 4 第三章硅硅直接键合片的质量检测 为了制作出符合要求的、优质的硅硅直接键合片，各种检测从订购硅片开 始就要贯穿其中直到完成键合片的制作。只有这样，才能保证键合片用来制作 其他产品的成品率。不同用途的键合片各种质量检测的侧重点不同，对于本课 题所制作的键合片主要用到的检测包括：表面平整度测试、键合片的空洞测试 分析、键合强度测试、界面氧化层厚度测量等。图3 一l 为键合工艺流程与配套 的检测。 酣 l 困 l 臣面_ j 抛光面平整度栓查 表面沾污检查 i f 二二二二习预键台 巨= e 2 = e 时，( 3 1 1 ) 式可变为： 2 0 ( 3 1 2 ) y ：塑簟 ( 3 1 3 ) 。 1 6 由于材料的各向异性，将( 3 1 3 ) 式修正为1 0 】： r ：型型善 ( 3 1 4 ) 7 8 f 1 一y 2 、f 其中v 为泊松比，从而就可以得到键合片的键合能。这种方法简单快捷。 由以上我们可以看出：在实验中，我们主要测量的是裂纹长度上。上是由 红外线系统测得，但红外线系统所能测的最小间隙为2 5 0 n m ，用这种方法测量 的三精确性受到限制，键合能与三是四次方的关系，这样计算的结果一般会有 1 0 的误差。正如b a g d a h n 等人所提出的【1 1 】：通过有限元分析，随着键合强