等离子活化是现在比较常用的一种干法活化方法,能对物体表面实现超洁净清洗,去除表面的有机物污染和氧化物,在晶圆表面引入所需基团,增强其键合能力。该方法主要利用等离子体中电子、离子、自由基等活性粒子的能量与材料表面进行撞击,在撞击的过程中发生能量转移而产生物理或化学反应来实现清洗、蚀刻及表面活化等。

等离子体活化晶片表面作用原理

将等离子体对晶片表面作用过程概括为如下四个部分:

(1) 去除表面有机污染物:由于实验在非洁净间进行,因此在操作过程中难免会造成晶片表面的污染,即使在活化实验之前进行预清洗也无法保证将其全部去除。在活化过程中,等离子体高速轰击晶片表面,通过等离子体的物理溅射作用以及等离子体的化学作用与有机污染物反应生成挥发性气体两种方式使得有机污染物从晶片表面解吸附。

(2) 降低表面粗糙度:在去除有机污染物后,洁净的表面暴露于等离子体环境中。晶片表面相对较高的位置更容易受到等离子体轰击,这些位置的表面共价键被等离子体打断,使得部分Si原子处于游离态。在系统能量最小化的过程中,游离态的Si原子往相对位置较低的表面移动,使得原本凸起的表面形貌趋于平整,表面粗糙度降低。随着活化时间的增长,晶片表面呈现出更加均匀的形貌起伏。这些微纳结构能将晶片表面的亲水性放大。

(3) 提高表面Si-OH密度:待键合晶片表面的Si-OH密度与键合强度直接相关。等离子体打断晶片表面S-O-Si共价键,留下大量的Si-、Si-O-悬挂键,这些不稳定的悬挂键会吸附空气中游离的-OH形成Si-OH以降低表面能,而等离子体轰击形成的纳米起伏增加了晶片的表面积,使得表面可以容纳更多数量的Si-OH,亲水基团的大量吸附也使晶片表面的亲水性进一步提高。

(4) 辅助水分子及气体分子扩散:根据Amirfeiz等人的研究成果,等离子体的处理会形成无序的表面结构,使氧化层变得疏松多孔,提高水分子的扩散速度,进而降低界面空洞产生的可能性,使得键合晶片表面接触面积增大,键合强度更高。

晶圆等离子活化直接键合原理

晶片直接键合工艺通常包括表面清洗及活化、预键合、退火等步骤,表面活化键合的工艺和参数直接影响到表面悬挂羟基的数量及最终键合情况。因此,预键合前的表面活化成为了等离子键合中最关键的工艺步骤,相应活化原理也是键合原理的基础，完整的键合原理模型如图1-1所示。

图1-1 等离子体活化晶片直接键合原理模型 

对等离子体活化晶片直接键合原理进行总结,具体内容如下:

(1) 预键合阶段:经等离子体处理后,晶片表面有机污染物得到去除,表面形貌得到整平,表面粗糙度降低,表面悬挂键密度增加,这些高活性的悬挂键吸附空气中游离的-OH,在晶片表面形成亲水的Si-OH基团,这些亲水基团进一步吸附空气中的水分子,使晶片表面被几个分子层厚度的水膜覆盖。于是,在活化完成后,将两晶片在室温下贴合,两侧晶片表面之间通过范德华力和极性-OH间的氢键连接以实现室温下的预键合,但此时的键合强度较低,晶片之间容易分离。

(2) 室温加压阶段:刚完成室温下预键合的晶片界面存在几个分子层厚度且膜厚分布不均的水膜,若直接进行键合后退火操作,随着退火温度的升高,扩散通道较短的水分子得以快速从界面逃逸或向基体内部扩散,使得该区域水膜厚度迅速减小,两侧表面靠近,距离足够接近的Si-OH聚合生成Si-O-Si共价键;而扩散通道长的区域,仍有较多水分子残留,导致水膜难以减薄,形成键合空洞,使界面键合面积及键合强度下降。因此,在退火之前进行室温下的加压操作,可以加速水分子的重新排列,使界面间的水膜厚度减薄,缩小两侧晶片表面的距离,由于等离子体的处理降低了表面粗糙度,因此部分Si-OH靠的足够近,自发聚合脱水形成共价键连接,键合强度有所提高。

(3) 键合后退火阶段:经过室温加压阶段,水分子层得以重排,部分Si-OH自发聚合形成共价键连接,但界面仍主要依靠范德华力及氢键相连。在键合后退火阶段,升高的温度一方面加速了水分子的扩散运动,另一方面加速了Si-OH的聚合脱水反应。对于Si-Si键合以及Si-SiO2键合来说,扩散通道短的水分子能够快速从界面逃逸,而其他区域的水分子能够穿过薄氧化层向着Si基体扩散,并与Si反应得以消耗,新生成的H2分子也能被氧化层的微孔洞吸收。另外,已键合区域也会向未键合区域提供额外的压力,促进两侧表面的接触,使更多Si-OH聚合形成共价键连接,键合强度得到进一步提高。