硅圓片等離子鍵合工藝及其原理介紹
文章出處：等離子清洗機廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發表時間：2022-11-18
在高密度互連要求越來越強的趨勢下，等離子鍵合工藝是現階段發展最快、最受人們關注的微加工技術之一，這種技術利用等離子轟擊硅圓片表面，可提高其表面能，實現直接鍵合。在嚴格控制好工藝參數的情況下，用等離子體對硅圓片表面進行活化，能大大提高鍵合強度，減少空洞或空隙的產生，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點，對處理材料的類型沒有作硬性要求，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生產中的應用也日趨廣泛。
自20世紀80年代以來，硅圓片的鍵合技術已廣泛用于傳感器和執行器中。但是，硅圓片預鍵合通常要在1000℃以上的高溫條件下進行退火才能達到較高的粘接強度，而高溫容易引起多方面劣質問題的產生，如基板結構的不良變化和反應，各種材料因熱膨脹系數不同而引起的鍵合部分應力增加等。尤其是工業生產中已經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致較大的熱應力而使器件遭到破壞，或發生一系列化學反應后出現的缺陷或污染使器件失效。
等離子鍵合工藝
目前鍵合技術發展的現狀而言，等離子活化直接鍵合無疑是一項極其引人矚目的技術。其工藝特點是將兩片完整的圓片（裸片或者已經制備的器件）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濕法活化實現，其原理是通過化學溶液使圓片表面能提高從而達到鍵合目的，由于對設備要求不高、成本低廉使其應用較為廣泛。但相比較而言，等離子鍵合有許多濕法活化無法達到的優點，如處理均勻性好、用時短、效率高、無污染、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、預鍵合、退火等步驟，表面活化鍵合的工藝和參數直接影響到表面懸掛羥基的數量及最終鍵合情況。因此，預鍵合前的表面活化成為了等離子鍵合中最關鍵的工藝步驟，相應活化原理也是鍵合原理的基礎。
等離子表面活化是現在比較常用的一種干法活化方法，能對物體表面實現超潔凈清洗，去除表面的有機物污染和氧化物，在圓片表面引入所需基團，增強其鍵合能力。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行撞擊，在撞擊的過程中發生能量轉移而產生物理或化學反應來實現清洗、蝕刻及表面活化等。電子對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生分解，并且大量的電子撞擊有利于引起化學反應。離子與物體表面的作用通常指帶正電荷的陽離子作用，陽離子有加速沖向帶負電荷表面的傾向，使物體表面獲得相當大的動能，足以撞擊去除表面上附著的顆粒性物質。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合時，會釋放出大量結合能，這種能量成為新的推動力引發表面額外反應產生，從而引發物體表面的物質發生化學反應而被去除。
終上所述，等離子體對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產生物理化學的雙重反應，使被清洗物的表面污染物變成粒子或氣體狀態，經過真空抽離而排出，從而達到對表面的清洗和活化目的。用等離子技術對硅圓片進行表面預處理，會引起表面產生高度不規則的多孔結構，提高鍵合界面水分子的擴散，使表面OH基數量增加，這樣能提高表面的反應性，從而提高鍵合質量，如圖1所示，為等離子對硅圓片表面活化的結構示意圖。將活化圓片經沖水處理后，直接貼合在一起完成鍵合。
等離子對硅圓片表面活化的結構示意圖
相比于陽極鍵合，等離子鍵合無須外電場作用，能在較低溫度下達到更高的鍵合強度；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，使鍵合質量有保障。
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