硅-硅直接鍵合工藝

硅-硅直接鍵合技術(shù)就是將兩個(gè)拋光硅片經(jīng)化學(xué)清洗和活化處理后在室溫下粘貼在一起，再經(jīng)過(guò)高溫退火處理，使鍵合界面發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，形成強(qiáng)度很大的化學(xué)共價(jià)鍵連接，增加鍵合強(qiáng)度而形成一個(gè)整體。該技術(shù)具有工藝簡(jiǎn)單，兩鍵合硅片的晶向、電阻率和導(dǎo)電類(lèi)型可自由選擇，與半導(dǎo)體工藝完全兼容，并且鍵合強(qiáng)度大，鍵合后的界面可以承受磨片、拋光和高溫處理等優(yōu)點(diǎn)。自1985年Lasky首次報(bào)道以來(lái)，該技術(shù)得到廣泛重視與快速發(fā)展。如今，硅-硅直接鍵合技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于SOI、MEMS和電力電子器件等領(lǐng)域。

硅-硅直接鍵合工藝按照要鍵合的硅片表面親水性的不同分為親水鍵合和疏水鍵合。對(duì)于親水鍵合，工藝一般分為三步：

（1）將兩片表面平整潔凈的拋光硅片（氧化或未氧化）先經(jīng)適當(dāng)表面清洗與活化（OH-溶液或等離子體）。

（2）在室溫下將硅片的拋光面貼合在一起，使兩硅片在室溫下依靠短程的分子間作用力吸合在一起。

（3）將貼合好的硅片在O2或N2環(huán)境下經(jīng)過(guò)數(shù)小時(shí)的高溫退火處理，使界面發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，增加鍵合強(qiáng)度形成整體。

與親水鍵合工藝相比較，疏水硅-硅鍵合工藝要求鍵合界面沒(méi)有氧化層和本征氧化層，要求所用的硅片為未氧化的拋光硅片并且要用稀釋HF酸漂去硅片表面的本征氧化層，所以比親水鍵合工藝增加了HF酸漂洗的工藝，疏水硅-硅鍵合工藝分為下面幾步：

（1）將兩片表面平整潔凈的拋光硅片先經(jīng)適當(dāng)表面清洗與活化（OH-溶液或等離子體）。

（2）將經(jīng)過(guò)表面清洗與活化處理的硅片放入1~2%的稀釋的HF酸溶液中漂洗1~2分鐘，完全漂去硅片表面的本征氧化層，用去離子水沖洗或不沖洗，然后甩干。

（3）在室溫下將硅片的拋光面貼合在一起，使兩硅片在室溫下依靠短程的分子間作用力吸合在一起。

（4）將貼合好的硅片在N2環(huán)境下經(jīng)過(guò)數(shù)小時(shí)的高溫退火處理，使界面發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，增加鍵合強(qiáng)度形成一個(gè)整體。

下面討論親水鍵合的情況：

首先，來(lái)片檢測(cè)，硅-硅直接鍵合技術(shù)非常依賴(lài)硅片的表面情況，直接關(guān)系到鍵合的好壞和成敗，如果硅片的表面起伏過(guò)大，兩個(gè)硅片就無(wú)法完成預(yù)鍵合。另外，不同硅片供應(yīng)商提供的硅片的表面起伏差別也很大。

其次，清洗工藝，硅片的表面有大量的懸掛鍵，可以吸附環(huán)境中的氣體分子和有機(jī)物，在硅片的表面形成污染，在高溫退火的過(guò)程中這些有機(jī)物分解成氣體并在鍵合界面生成空洞。一般用強(qiáng)氧化性溶液加熱處理，使有機(jī)物氧化分解。

第三步，活化處理，一種是用含OH離子溶液，另外一種是用Ar氣等離子體處理，在強(qiáng)氧化的作用下使硅片生成一層本征氧化層，吸附大量的OH團(tuán)，再用大量的去離子水沖洗，用甩干機(jī)甩干。

第四步，預(yù)鍵合，在室溫下或加熱到一定的溫度下，把要鍵合的硅片的拋光面按照晶向?qū)?zhǔn)，然后在硅片的中心加一個(gè)外力，使硅片首先在中間鍵合在一起，然后鍵合波向硅片的四周邊沿?cái)U(kuò)展，最后把兩個(gè)硅片完全鍵合在一起?，F(xiàn)在的機(jī)器預(yù)鍵合設(shè)備可以完成晶向?qū)?zhǔn)、加熱、抽真空和充氣等多種功能。

第五步，空洞檢測(cè)，用紅外系統(tǒng)檢測(cè)鍵合界面的鍵合情況，防止有大的空洞和大面積陷入氣體，同時(shí)淘汰不合格的預(yù)鍵合硅片。

第六步，高溫退火，在高溫下，鍵合硅片之間發(fā)生強(qiáng)烈的物理-化學(xué)反應(yīng)，生成強(qiáng)的化學(xué)共價(jià)鍵，使鍵合完成。為了避免高溫時(shí)有空洞長(zhǎng)生，高溫退火溫度一般在900℃以上，同時(shí)要充O2或N2。

第七步，空洞檢測(cè)，與第五步相同，檢測(cè)在高溫退火的過(guò)程中是否有空洞生成，挑選符合要求的鍵合硅片。