硅圓片等離子鍵合工藝及其原理介紹
文章出處：等離子清洗機(jī)廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時(shí)間：2022-11-18
在高密度互連要求越來(lái)越強(qiáng)的趨勢(shì)下，等離子鍵合工藝是現(xiàn)階段發(fā)展最快、最受人們關(guān)注的微加工技術(shù)之一，這種技術(shù)利用等離子轟擊硅圓片表面，可提高其表面能，實(shí)現(xiàn)直接鍵合。在嚴(yán)格控制好工藝參數(shù)的情況下，用等離子體對(duì)硅圓片表面進(jìn)行活化，能大大提高鍵合強(qiáng)度，減少空洞或空隙的產(chǎn)生，得到較好的鍵合效果。與濕法活化相比，等離子表面活化有著諸多優(yōu)點(diǎn)，對(duì)處理材料的類型沒(méi)有作硬性要求，清洗及活化效果也更顯著，因此等離子鍵合在微型傳感器和三維集成封裝等工業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用也日趨廣泛。
自20世紀(jì)80年代以來(lái)，硅圓片的鍵合技術(shù)已廣泛用于傳感器和執(zhí)行器中。但是，硅圓片預(yù)鍵合通常要在1000℃以上的高溫條件下進(jìn)行退火才能達(dá)到較高的粘接強(qiáng)度，而高溫容易引起多方面劣質(zhì)問(wèn)題的產(chǎn)生，如基板結(jié)構(gòu)的不良變化和反應(yīng)，各種材料因熱膨脹系數(shù)不同而引起的鍵合部分應(yīng)力增加等。尤其是工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)用于制造器件的硅圓片，高溫條件下硅與其他部分的材料由于熱不匹配導(dǎo)致較大的熱應(yīng)力而使器件遭到破壞，或發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)后出現(xiàn)的缺陷或污染使器件失效。
等離子鍵合工藝
目前鍵合技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀而言，等離子活化直接鍵合無(wú)疑是一項(xiàng)極其引人矚目的技術(shù)。其工藝特點(diǎn)是將兩片完整的圓片（裸片或者已經(jīng)制備的器件）在不借助任何中間層和外界壓力、電壓的情況下經(jīng)等離子處理后直接形成良好接觸。目前圓片直接鍵合主要通過(guò)濕法活化實(shí)現(xiàn)，其原理是通過(guò)化學(xué)溶液使圓片表面能提高從而達(dá)到鍵合目的，由于對(duì)設(shè)備要求不高、成本低廉使其應(yīng)用較為廣泛。但相比較而言，等離子鍵合有許多濕法活化無(wú)法達(dá)到的優(yōu)點(diǎn)，如處理均勻性好、用時(shí)短、效率高、無(wú)污染、操作方便等。
等離子鍵合原理
圓片直接鍵合工藝通常包括表面清洗及活化、預(yù)鍵合、退火等步驟，表面活化鍵合的工藝和參數(shù)直接影響到表面懸掛羥基的數(shù)量及最終鍵合情況。因此，預(yù)鍵合前的表面活化成為了等離子鍵合中最關(guān)鍵的工藝步驟，相應(yīng)活化原理也是鍵合原理的基礎(chǔ)。
等離子表面活化是現(xiàn)在比較常用的一種干法活化方法，能對(duì)物體表面實(shí)現(xiàn)超潔凈清洗，去除表面的有機(jī)物污染和氧化物，在圓片表面引入所需基團(tuán)，增強(qiáng)其鍵合能力。該方法主要利用等離子體中電子、離子、自由基等活性粒子的能量與材料表面進(jìn)行撞擊，在撞擊的過(guò)程中發(fā)生能量轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生物理或化學(xué)反應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)清洗、蝕刻及表面活化等。電子對(duì)物體表面的撞擊作用，可促使吸附在物體表面的氣體分子發(fā)生分解，并且大量的電子撞擊有利于引起化學(xué)反應(yīng)。離子與物體表面的作用通常指帶正電荷的陽(yáng)離子作用，陽(yáng)離子有加速?zèng)_向帶負(fù)電荷表面的傾向，使物體表面獲得相當(dāng)大的動(dòng)能，足以撞擊去除表面上附著的顆粒性物質(zhì)。自由基在等離子體中的作用最突出，它與物體表面的分子結(jié)合時(shí)，會(huì)釋放出大量結(jié)合能，這種能量成為新的推動(dòng)力引發(fā)表面額外反應(yīng)產(chǎn)生，從而引發(fā)物體表面的物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而被去除。
終上所述，等離子體對(duì)硅圓片表面的活化原理即為：硅圓片在活性粒子的轟擊作用下其表面會(huì)產(chǎn)生物理化學(xué)的雙重反應(yīng)，使被清洗物的表面污染物變成粒子或氣體狀態(tài)，經(jīng)過(guò)真空抽離而排出，從而達(dá)到對(duì)表面的清洗和活化目的。用等離子技術(shù)對(duì)硅圓片進(jìn)行表面預(yù)處理，會(huì)引起表面產(chǎn)生高度不規(guī)則的多孔結(jié)構(gòu)，提高鍵合界面水分子的擴(kuò)散，使表面OH基數(shù)量增加，這樣能提高表面的反應(yīng)性，從而提高鍵合質(zhì)量，如圖1所示，為等離子對(duì)硅圓片表面活化的結(jié)構(gòu)示意圖。將活化圓片經(jīng)沖水處理后，直接貼合在一起完成鍵合。
等離子對(duì)硅圓片表面活化的結(jié)構(gòu)示意圖
相比于陽(yáng)極鍵合，等離子鍵合無(wú)須外電場(chǎng)作用，能在較低溫度下達(dá)到更高的鍵合強(qiáng)度；與中介層鍵合相比，等離子鍵合省略了中介層，也就避免了中介層與鍵合材料在性能上不兼容而影響鍵合效果，使鍵合質(zhì)量有保障。
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