键合是指将两种同质或者异质材料紧密结合成一体的技术,是一项必不可少的半导体工艺。低温直接键合作为一种新兴的晶圆键合工艺,其在半导体和MEMS行业中的作用正愈发重要。硅基材料低温直接键合是将两硅基晶圆直接贴合在一起,其键合界面在外界退火低温的作用下发生物化反应产生原子共价键,从而使两晶圆接触区域具有良好的机械性能和电子特性。得益于低温直接键合技术的诸多优点,其在集成封装、器件制造和新材料制备等领域都有着十分重要的应用前景。

低温直接键合工艺主要包括清洗、活化、预键合和退火四步，良好的表面活化质量是成功键合的关键。

硅基晶圆等离子体活化键合原理

等离子体活化即利用等离子体对硅基晶圆表面进行活化处理,是为了提高其表面的活化能。采用干法等离子体活化进行亲水性晶圆键合的工艺流程大致都要经过晶圆清洗、表面活化、室温预键合,最后通过低温退火实现两晶圆的牢固键合。

等离子体是由正负粒子(其中包括正离子、负离子、电子、自由基和各种活性基团等)组成的集合体,其中正电菏和负电菏的电量相等,故称等离子体。随着能量输入的增加,物质的状态也会发生变化,从固态到液态,再到气态。如果采用放电的方式再向气体中增加能量,气体将会转变为等离子体。常见的等离子体处理设备的工作原理如图1所示,通过射频电源对两极板施加高频的射频电压,使两极板间产生交变电场,腔室中的反应气体在高频交变电场的作用下会生成等离子体。将待处理的物体放入反应腔室中,其表面就会受到等离子体的轰击作用,从而实现对物体表面的活化。采用等离子体处理设备对晶圆表面进行活化处理时,其活化效果将取决于气体种类、气体流量、射频功率和工艺时间等参数。

图一 等离子体处理设备工作原理图

亲水性干法等离子体活化通常采用O2作为反应气体,通过生成的氧等离子体对晶圆表面进行高速轰击,使得其表面原始氧化层的Si-O键断裂并伴随有轻微刻蚀,同时氧等离子体的轻微氧化作用会使得晶圆表面变得亲水,从而更容易吸附-OH基团。此外,氧等离子体还能够通过与晶圆表面的有机物杂质进行反应将其去除。

经过等离子清洗和活化处理后的晶圆,其表面大量存在的-OH基团很容易与空气中的H2O分子相结合,当两晶圆相互贴合时,其界面的H2O分子会形成H2O分子链将两晶圆连接起来。同时,两晶圆会在表面范德华力和水分子间氢键的作用下发生自发键合。

图二 硅基晶圆亲水性表面活化键合机理

低温退火是两晶圆接触界面形成牢固键合的必要条件。如图2所示,室温预键合的两晶圆接触表面能够通过范德华力和水分子间氢键的作用自发地结合在一起,但是这种自发键合并不牢固。对预键合的晶圆进行低温退火,其表面悬挂的-OH基团将会发生脱水缩合反应并生成Si-O-Si共价键(反应方程式见式(2-1)),从而使两晶圆形成牢固的键合。

Si—OH+Si—OH→Si—O—Si+H2O（2-1）