硅硅直接键合的理论及工艺研究_肖滢滢.pdf

硅硅直接键合的理论及工艺研究 作者姓名肖澄 澄 学位类型学历硕士 学科 专业 二 微电子学与固体电子学 研究方向卜 上设计与微 电子技术应用 导师及 职称王建华副教授 年月 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 主席 息 争 夺 勺 委员 凌 限 犬 落尸完 洽 闷 业六李 导师 冷 月 些认睿 施 鱼仄 姜 祥 有 钊 投 粤考 者 离 伽 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下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己经发表或撰写过的 研究成果 也不包含为获得一宣瞿工业人全一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己在论文中作了明确的说明并表示谢 意 学位论文作者签字 夜龙德 签字日期 沪 年月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解一宣卫 旦工业人兰一有关保留 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 本人授权一宜 胆工业人堂一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 学位论文储签名 娜 签字日期 全年 月 日签字日期 了年 护月 日 学位论文作者毕业后去 向 工作单位 通讯地址 上海岛性溉集戍电脚蕊叶中 电话 邮编 乡 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 性己经引 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 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模数之 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 七 模 数 才 臼 二 曰 七 互 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 由衷感谢工建 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 者肖涝涝 年 月 晶片直接键合及其 发展 硅片直接键合技 术的应用 国 外的发展和应用现状 在 结构中的应用 在中的应用 在压电 声光器 件 和 其他 方面的应用 国 内 的 发 展和应用 情 况 本论文的工作 一 论 文工 作的原 由 论文工作的目 的 论 文 工作 的 意义 硅 硅 直 接键 合的 工 艺 机 理 及 质控 制 硅硅 直 接键 合 工 艺机理 键 合 界 面 空 洞 的 产 生与控制 表 面 平 整度和微 观粗 糙 度的影响 粒子沾污 的 影响 表 面 挥发 物 质 的影 响 其 他 因素的 影响 键合材料的键合强度控制 界面电 学特 性的控制 硅 硅 直 接键 合 片 的 质量 检 侧 键 合片的 空洞 检测 射线拓扑测量 法 超声波探测法 红 外透射检测法 键合强度测试 一 卜 裂纹 传 播 扩散法 一 静 态液 体油 压 法 四 点 弯曲 分 层 法 测试方法 一 一 用 力来表 征的 测 量 方 法 键 合 强度的 非 破 坏 性测 试 本项 目采 用 的 测 试 方法 第四 章硅硅直接键合的工艺过程及实 验研究 表面 清洗处 理 硅片 表 面站污杂质的 来 源 预清洗 常 规清 洗 预 键 合 高温 退火 第五 章硅 片 键 合 界 面 缺陷 分 布 与 肠 模数的关系 朽 肠 理 论 求 解 参 数 和 仃 的一 种简 单方法 理 论 分析 缺陷分 布 与的关 系及其与 实验结果的 比较 结 论 第六 章论文工作 总 结 参考 文 献 攻 读硕 士 学 位期 间 发 表 的 论 文 图 一 硅片 键 合 过 程 示意图 图 一 抛光硅片表面结 构示意图 图 一 一 硅片表面的 粗 糙 度检 测图 图 一 计算表面形成 孔洞时的简化拓 扑 图 一 沾 污 拉 子 对键合 的 影响 示 意图 图 一 键合 强度 与 温度的关系 图 一 键合 片空 洞附近的 键合强度分布 图 图 一 用 方法 观测 的退火 到 的 亲水 键合 片 图 一 键 合 工 艺 流 程 与配套 的 检测 图 一 射 线 拓 扑测 量原理 图 图 一 超声 波探测示意图 图 一 硅键 合 片 空 洞 超 声 波 检 测 照 片 图 一 键 合 硅片 界 面 空 洞探 测系统框 图 图 一 一个 键合 片 的图 象 图 一 裂 纹 传播 扩 散法 示 意图 图 一 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 比较 图 一 裂 纹长度与刀片 位 移 的 关 系 图 一 刀 片插入速率对 键合能 的 影响 图 一 静 态液体油 压 法 图 一 四 点弯曲 分 层法 结 构 示 意图 图 一 测 试 方 法结 构示意图 图 一 两种直拉 法 的结 构示 意图 图 一 示 意 图 图 一 基 于声 学的 非 破 坏性测试示意 图 图 一 颗粒法结 构示意图 图 一 检 测设 备照片 图 一 检测 照片 图 一 呈现牛顿环的空洞图象 图 一 拉力 手 柄 工 程制图 图 一 将 键 合 片 粘 在拉力手 柄 上 图 一 直拉 法的 设备图 图 一 键合强 度 测试设 备 的设计 方案 图 一 刀 片的结构示意图及 其与键 合片的位置关系示意图 图 一 硅片键合强度测试 系统总体框 图 图 一 接 触 角示 意图 图 一 键合 片 断面观测图 图 一 微 型超 净间 预键合过 程 示意图 图 一 硅片 键合 扩散过程 图 一 键合界 面断 面照片 图 一 一个 结的 键 合界面杂质 分布 图在拉伸试验中硅键合片界面 出的一典型 裂纹示 意图 图 一 退火 温度分 别在 和 时 界 面的缺 陷 图 一 硅 片 键 合 表 面 能 与 退 火温 度 变 化 关 系曲 线 的 示意图 典型的配 比 和操作条件 不同亲水处理硅片表面的接触角大小 接 触 角 裂 纹半长 裂纹角度 牙 几 式 君 下 口 人 刀 尸 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 技术 的 研究 具有广阔的 应 用 前 景 目前 半导 体 键合 技术 的主要应用于两 个 方 向 一个是硅基 材 料的 直接 键合硅 一 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 硅 一 一 族材料 之间的键合 利 用成 熟 的微电子工艺和 一 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 族材 料 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 年代 年 德国西门子公司的研 究人员提 出了 真 空金属键合技术 年 等人提出了 利 用 粘 合 剂 的键合方 法 年 通用电气研究和发展 中 心的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 工艺相 容 直到年底提 出了 片 直 接 键 合 技术介 简称 相对于 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 结 构 微 机 电 系 统和压电 声光 器 件 当 中得 到 应 用 随 着其 不断发展和成熟 己 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 不 会 引入应 力 而受到了人们的 青睐 较 多 用于结 构 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 国 外 的发展和 应用 现 状 在结构中的应用 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 制备材料 工 艺简单 成 熟 层 性能 良好 厚 度容 易控制 它 已 经 作 为一 种 生 产 结 构的 广泛的应用手段 国 外许多 公司对直 接键 合 的片 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 提 出的 一 技术 可 较 好 的解决这 一 问题 一 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 一定温 度 下 键 合 键 合 热 处理 在大约 时 氢离 子注入处 会 形成连续的空腔 从 而 自 动剥 离 形成结 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 备材料的另 一 个 不 利 因 素 是 键 合退火通常需要高 温多 在 以 上 高 温时 氧 化 物 开 放式 结 构 会吸附分解的气 体杂质 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 年 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 的 退 火 避 免 了 高 温对器 件 的不良影响 在中的应用 对的研 究 主要基于硅 材料 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 工艺不太 兼容 克 服这个缺点的方 法 只 能是键合技术 年 荷 兰 大学 研 究所 用 直接键 合的方 法制备 出纵 横 比很 高的多 层 衬底 一一一一一 川 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 受工艺 的限制 与工艺 完 全兼容 且是典型的三维衬底 有利于三维器件的制备 瑞典大学 最早 制 出了用于生 物 医学的遥 控 压 力检 测的无源传感 器 用 各 向异性 腐 蚀出 凹 坑的硅片和层硅 片薄 膜键合 作 成 传 感器的 敏 感元 件 形成共振电路的电 容 等 将掺 硼 扩散 厚 度 产 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 召 年 希腊的 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 卜 一 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 在压电 声光器 件 和 其他 方面 的 应用 年 日 本东芝 公司 采 用硅 直接键合技术 己 研 制 出的绝缘栅 双极 晶 体管 和的功 率 年东 芝公司 采 用技术 批 量生 产 固 体 继电器用 介质 隔 离光 电 二 极管阵 列 年 匈牙利的对 卜 硅片键合 然 后在 上面制备出品质优 良的 一 一 二 极 管 其击穿 电压 为 电流 密度为 年 日 本 的对酸 腐蚀的 一 键合做了研 究 得到质 量百分比为 的 酸浓 度 外加 压强时最 佳 条 件 为室温下 键 合 并应 用 低温酸键 合 技术 成功地制 备 了 紫外 探测器 年 日 本 的用硅直 接键合技术制备 止 回阀 然后 将 之 与 形状 记 忆 合金驱动器连 接 制作 出形状记忆微型泵浦 年 美 国麻省理工 大学 的 等 人 选取 片 英 寸 英寸 等 于双面抛光的型表面 蒸镀 产 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 年 日 本等将 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 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 年东南大学的黄庆安等 人对硅 硅直 接 键合进行了研 究 年浙江大学电工厂的 蒋晓波 对用于大功率器件 生 产 的结构进行研究 年电子工 业 部 第研究所 制备了耐压大于 的器件 浙江 大学 也 利 用 硅 直 接键 合 技术将 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 多功能 器 件 如压电 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 年 用直 接键 合 代替 三重扩 散 生产出 特 性 较 好的 双极 功率 器件 石 年结 合和硅片直 接 键 合技术 制备出硅 膜均匀 埋层为 高质 量热 氧化 层的 材料年底将带 图形 的 硅 片键 合技 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 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 己 有 很 多 公司生产硅键合片 和利用硅直 接 键合技 术 制备的片 如美国的 日 本 的 东芝 信越 三 菱 佳能 韩 国 的 三星 法国 的等 公司 一 些公 司 的年产 量 甚 至达到 数 百万 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 本论文 的工 作 论文工 作的 原由 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 的发展 使 硅 片 表面 更 为光滑 平 整与洁净 这 种 发展与对 硅片本身的 要求完全一 致的灵 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 层的硅 片 键合 技术 使 硅 材 料和 技术 的 潜力 得到了充分地 发 挥 特别 是 硅硅 直接键 合 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 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 论 文工 作 的目的 本 论文的工 作 目的是利用硅硅直 接键 合技 术 制作出寸材料 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 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 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 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 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 确片表面 断 一一一咬 力 代 人 刀 井 一 一 火 一 硅 片表面 与 图 一 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 子受到最近邻和次近 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 轻基 即硅醇键 由于轻基是亲水基 易于物理吸附水而形成氢键 所 以表面具 有 亲水性 以轻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 川 亲水键 合 模 型为 一 二二 卜 一 以 氢键 连 接的 两 个氧原 子间距 为 如 图 一 所 示 即 使 硅片之间的距 离 达到 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 一 二 二二 一 的键 长 为 所以即 使 两 个 硅片键合 表 面间 距达到了 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 炭 炭绍 淋器 器 嫩终璐滋 滋 键合前室温键合高温键合 图 一 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 两硅 片 表面吸 附团 在 相互 接 触区产生氢键 随着温度 的升 高 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 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 即 一一一一 由于硅 氧键 结合远比氢键 牢 固 故键合强 度 迅速 增大 到时 聚合反应基 本完 成 第二阶段 温 度在 一 范围内 在 形成硅 氧 键时产生的水向中的扩散 不明显 而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 一一一 第 三 阶 段 温度高 于后 水 向中扩散变得 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 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 粘度 降低 会发生 粘 滞流动 从而 消除 了微间 隙 超过时 邻近 原 子间相互反应产生共 价 键 使键 合 得 以 完 成 图 一 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 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 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 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 一 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 一 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 小于就能得 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 一 图 一 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 一 对应的 硅 片难键合 界面 有 许多空洞图 一 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 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 如 图 一 所示 设单个硅片的厚 度 为 八 表面 起伏 高 度 为 凹 部为 一 圆 表示硅片表面 单 位面积上所受到的吸引力 由于引力作用 使 硅片表面位移 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 尸 式中 二 一 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 那 图 一 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 为界面能 则根据 能量守 恒 定律 吸引力所做的功 等 于界面能的增加 鉴于与两硅片之间的距 离有着 复 杂的函数关系 因此 作 了一级近 似 就 有 二 结合上式 式可写为 因 键 合能为固定 值 故式 就是 键合过程 不形成 孔 洞的闽值 条件 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 即表 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 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 故 和 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 硅片抛光面上 有 粒子 沾 污 存在势 必 会 造成 空 洞 戈 戈 橄 橄 橄 按以价 井 井 姨 姨 姨 姨 姨 姨斗汾 次 次 图 一 沾污拉子对键合的影响示意图 如图 一 所 示 设沾 污 粒 子是 直径 为 的钢性球 由于两硅 片 表 面的 引 力 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 由于沾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 球处 硅 片 纵 向 位移为 尸 利用式 上 式 可写为 就 在距离粒 子 即 二 处 硅 已 能键 合上 又因粒子是刚 性 的 则 有 城 即可 得 到 召万 丁百 因为 在 的范围 内 硅 片未键 合上 也就是空洞 的 半径为 故 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 召 的沾污 粒 子 会在 一 个 寸 产 厚 的键 合 片中产 生 大 约的空洞 可 见 沾 污 粒子 对 键 合的 影 响是 何等 严 重 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 的存 在 是由于 硅 片 表 面 存在本 征 氧 化层 是由于表面吸附或表面处理引起的 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 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 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 下 处 理 或 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 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 主 要 原 因是 预 键合 时会有 微量空 气 封入 键 合界面 中温 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 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 户日 口 钟 从 月 砚 带忆 日仍 幻呜 泊 以洲 翔 山 场址 恤 介 呵 脚 幼 门 图 一 键合强度与温 度 的关系 图 一 给 出了 实 验测 试的键 合强 度与温度的关系 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 时 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 一一 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 左 右 时 一 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 键合片 洲 拼 一 一 体硅强度 距离 图 一 键合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 一 所示 从空洞未键合处所对 应的强 度 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 界面电学 特 性的控 制 对 于 本 课 题研究的寸 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 一 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 当 键 合界面的硅氧化 物 的厚 度 小于时 硅 氧 化物的存在不再影响键 因此 控制氧化 层厚 度在 以下也是 关 键 技术之 一 图 一 用方法观测的退火到 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 结 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 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 一 为键合工艺流程与配套 的 检 测 乍 抛光 面平整度检查 仲 面 占污检查 预键合 仲 空 高 温 退 火 仲 空 洞 检 侧 键合强 度侧 试 界 面 氧化层厚度侧 量 图 一 键合 工 艺流程与配套的检测 由于键合技 术 是年代后期刚刚 提 出 研究 发展到 现 在 针对键合技术配 套的一系列检测方法并不成熟 尤其是空洞检测与键合强 度 测试 各个单位所 采 用的 方法各 不相同 这也不 利 于对 键合技术的 互 相交 流和 改 进 因此 检 测 方 法的 研究 和改进是非 常 必要的 下面 将 重点 介 绍各 种 空洞 检 测和键合强 度 测 试 方 法 然 后研制开发出了一套相应 的 测试设 备 希 望 能 对键合 技术 及其测试 的发 展 有所帮 助 键合片 的空洞 检 测 键 合 片界面 若存在 空洞 则不仅影响用该部分制 作 的器件性能 结构 而 且 在 制 作 器件的后续工艺中会导致该部分两硅片的分 离 降低产品的成品率 因 此 对键合片进行键合界面空洞 检 测是必不可少的 尤其是 在 预键合后 应检 如果存在 空 洞 可 采 取 相应措施予以消除 例如 因界 面有微 小粒 子而 产 生 的 空洞 应 将 两硅 片分 开 并 重 新 对 其 进 行表 面 清 洗 完 全去 除沾 污后再进行键合因界面封进了气体而产生的空洞 传统的方法是用塑料胶棒 轻轻挤压键合片表面 将内 部气体赶出 但 实 验表明虽然检测表明气体 己 被赶 出 可界面或多或少会残留 微 量气 体 在 经过 高温 退 火 后 会 导 致 局 部无法键合 上 产生微孔 因此最 好的办 法是 将 两硅片分开重 新 预键合 下面就 介 绍几种 常 用 的检 测空洞的 方 法 它们 都 是 非 破 坏性的 射 线 拓 扑 测量法 匆匆参 巴 七百二 射线 同 步扫描 图 一 射线拓扑测量原理图 射线拓扑测量是获得 偏离 理想晶 格 平面图 象 的一种方法 因此 它只 能 用于对单晶 材 料的测试 测量的 原 理 图 如 图 一 所示 主射线束经 过 硅 键合片 后打 在 主屏 幕 上 而 衍射射线束 通过屏 幕的 开 口 落在物像底片 上 任 何应 力 中心 空洞和晶 格缺 陷 都会 导 致衍射射线 束密 度 的 改变 通 过同 步 观 察 键合 片 和 物像 底片 就可得到整 个 键合 片的射线 图 象 此 方法的分辨率较 高 尤其 适合微小空洞 但 所 探测的面 积小 对整 个 硅 片进 行探测需要很长的 时间 超 声波 探测法 超 声波 被广泛的应用 在 金属探 伤 方面 它 对于 键 合片的空洞探测同样适用 超声 波 探测示意图如图 一 所示 超声波束 垂直入 射 到硅键合片表面时 通过 换 能 器接 收到 待 测键合片反射回的 信 号 经接 收 电路放大 加到示波器的 栅 极上 并 在荧光屏上形成一个亮点 亮 点 在 屏上的位置与换能器在样品上的 位 置是 相对 应的 这 样 当 换 能器 在样 品 表 面 按 一定的形 式螺 旋形 平行线 移动以 对整 个样 品 表 面 作 出 扫 描后 在 显 示 屏上即可观测 到 整 个样 品的 超 声波 图象 由于 超声波 可 在弹性材料如 硅 中传播 而几 乎 不 能在 空气中 传播 当 超声波束 打 在 键合 片 界面的空洞上时 反 射信 号就 会增 强 因此就能观 察 到硅 通过软件处理可进行空洞面积测量 图像保存 及 有关 分 析功 能 的应用 图 一 为用超声波显微镜检测硅硅键合片 中 的空洞图象 此方法分辨 率 比 较 高 虽然所用 到 的 系 统比 射线 的 系 统便宜 但 还是相当昂 贵 而且成 像 时间 较 长最重要的一 点 是它必须 将 待 测 样 品放在 液体中扫 描观测 因此在 预键合阶 段不 能使用 此 方法检 测 空洞 这 很大程度 上限 制 了 它在键合片 上 的 应 用 输 入 脉 冲 输 出 端 转换 器 相 匹 配的电 路网 换能 器 扫描 器 蓝宝 石 棒 超声探头 相 匹 配的涂层 一 去离子水 日 硅键合片样 品 图 一 超声波探测示意图 图 一 硅键合片空洞超声波检测照片 红外透射 检 测法 红 外透射检 测 方法检测 法是 在检测键合片 空 洞 时最 常 用的方法 它 是一 种实时 监 控的探 测方法 图 一 为键合片界面 空洞探测 系 统 框 图 由于 红外光 在 硅键合 片 界面空 洞与 硅 材 料之间的透 射率 不同 当一定强 度 的红外平 行 光线 从键合 片 一 面 垂直入 射 到键合 片表面时 在键合片另 一面红外摄 像 仪 将 收 集到该 硅键 合片透射的红外光 最后成像于监 视 器上 就可观察到硅键合片 中 空洞的 大 小 形 状 硅 片本身 能透过红 外光谱 但 随着掺杂 浓 度 的上 升 硅 键 合 片 厚 度 的增加 红外光透 射 率将 逐 渐减 小 红外 检 测图 像观 测能力将逐渐 降 低 这是由于 硅片 吸 收 红外光 线 所造 成 的 这 种 吸 收 行为 通 常可用光 线 强度 一 心 其中 为 初 始的光 线 强 度 为光 线 垂 直 于 表 面通过 材料的 距 离 为 材 料的 吸收 系 数 故红外摄 像 头的感光耙 应 具有相 应谱线 的灵敏 度 此外 红 外光谱 一 般 范围为 一 微 米 若 键合 片 界面 存在 空洞 则该 系 统能测得的最小尺 寸可由光学干涉定理求得 光 线 产生干 涉 时应 满 足 从 二 一 其中为 空洞 厚度 为 空 洞介质的相对折射率 又 为 红 外光波 长 为 干 涉条 纹 最暗级数 图 一 一个键合片的图象 若硅键合片没 有 空洞的区域 则 在 显示器上显示出 均 匀一致的浅色 区 图 像若有 空洞 则红外 光线在 通过空洞时 将产 生干 涉 使 强 度 变弱 显示出与 其 形 状 一 致 的阴影区图 像 或牛顿环图 象 由此可以观测硅键合片中的空洞如 图 一 所 示 对于键合强 度 的测量 现 在 已 有 很多 种 方法 有 的是破坏 性 的 有的 是非破 坏性 的 但是还 存在 很多 问题 数据 是 在各自 不同 的 工艺 条件 试样 尺 寸 和测 试仪 器下获得的 缺 乏通 用性 和 权威性 而且 至今没 有 一 个统 一的 标准来 进 行表征 有 的方法是用 使 键合界面开裂 所作 的 功来表 征 有的 方法是用 使键 合界面开裂所用的力 来 表征 这样不同的表征方法之间进行比较很不方便 希 望通过下面评述现今 采 用的几 种 测量键合强 度 的方法 能 对我国 研究 人员 在 对键合强 度 测量方法进行开发 改 进时 有所帮 助 用 功来表 征 的 测量方法 单 位面积的界面能定义为机 械 地 将 键合 在 一起的表 面 和表面从原 始 距 离 分开至无穷远处所 作 的功 牙 一 一 二 其中 力