硅片直接键合

单晶硅阳极键合是一种用于制造微电子器件和MEMS（微机电系统）的技术。

这种键合方法基于热能和电能的作用，使单晶硅片与其他材料，通常是绝缘材料如氧化硅（SiO2）或氮化硅（Si3N4），形成牢固的界面。

键合过程通常包括以下步骤：
1. 表面准备：首先，需要对单晶硅片及其要与之键合的基底进行清洁和抛光，以确保表面的平整和清洁。

2. 表面氧化：在单晶硅片表面生长一层薄薄的氧化层（通常是二氧化硅），这层氧化层将在后续的键合过程中起到关键作用。

3. 键合：将准备好的硅片与待键合的基底放置在一起，并在高温下施加电压。

由于氧化层的存在，电流会通过硅片和基底之间的氧化层流动，产生焦耳热，从而加热这两个表面。

4. 界面形成：当两个表面被加热到一定温度后，它们之间的氧化层会熔融，导致硅片和基底之间的原子发生扩散和重组，从而形成一个共价键合界面。

5. 冷却和固化：随后，整个结构被缓慢冷却，使得键合界面固化，形成稳定的单晶硅/基底界面。

单晶硅阳极键合具有以下优点：
-能够形成非常平滑且无缺陷的界面。

-可以实现高aspect ratio（深宽比）结构的制作。

-键合强度高，适用于需要承受机械应力的应用。

然而，这种方法也有一定的局限性，如键合过程中可能引入的热应力和界面缺陷，以及较高的制造成本。

此外，阳极键合通常需要较高的温度和精确的电控，这增加了工艺的复杂性。

尽管如此，单晶硅阳极键合仍然是微电子和MEMS领域中一种非常重要的技术。

1 几种主要的键合方法1）低温直接键合方法（1993）硅片直接键合技术(Silicon Direct Bonding)(简称SDB)就是把一片抛光硅片经表面清洁处理，在室温下预键合，再经高温键合而成为一个整体的技术。

低温键合对环境要求较高，要求键合片的表面非常平整光滑，在键合前要对键合片表面进行活化处理。

2）二步直接键合法（1986）通常，键合前先对硅片表面进行亲水性预处理，接着在室温下对硅片进行键合，然后对键合硅片经1000℃左右高温退火，以达到最终的键合强度。

3）阳极键合技术（Anodic Bonding）阳极键合技术是由美国等人提出，又称静电键合Wallis或场助键合。

是一种将硅芯片或圆片与玻璃衬底相封接的封装方法键合时，将对准好的样品放在加热板上，硅芯片或圆片与阳极相接，玻璃与阴极相接。

当温度升高后，玻璃中Na离子的迁移率提高，在电场作用下，Na向阴极迁移，并在阴极被中性化，然而，在玻璃中固定的束缚负离子O 2 -保持不动，并在硅的表面感应形成一层空间正电荷层，使得硅片和玻璃之间产生静电力完成键合。

4) 外延Liftoff方法(ELO)（1987）其基本原理是器件层结构先生长在晶格匹配的衬底上，中间有牺牲层（lift-off），用选择性湿法刻蚀技术除掉牺牲层，这样器件层就可以剥离、键合、转移到另一个衬底上，2键合的基本原理第一阶段，从室温到110℃，Si-O-Si键逐渐被界面水分解Si-O-Si+ HOH Si-OH+ OH-Si增大界面区-OH基团，在键合片间形成更多的氢键第二阶段，温度在110~150 ℃，界面处Si-OH基团合成化形成氢键的两硅片的硅醇键之间发生聚合反应，产生水及硅氧键，即Si-OH+ HO-Si Si-O-Si+ H2O第三阶段，150~800 ℃，由于受键合面积的限制，键合强度不再增强。

150 ℃时，几乎所有的硅醇键都变为硅氧键，从而达到键合。

温度大于800 ℃时，由于氧化层的粘滞流动和界面处物质的扩散，可消除所有非键合区，达到完全键合。

文章编号:1001-9731(2000)01-0058-02直接键合硅片的三步亲水处理法及界面电特性Ξ何　进,陈星弼,王　新(电子科技大学微电子所四川成都610054)摘　要:　亲水处理是硅片能否直接键合成功的关键。

基于亲水处理的微观机理分析和不同清洗剂亲水处理的过程及效果,本文提出了独特的三步亲水处理法。

这一方法既能顺利完成室温预键合,又能减少界面上非定形大尺寸SiO x 体的生成,避免了界面对电输运的势垒障碍,结果获得了理想的键合界面。

关键词:　硅片;键合;亲水处理;界面中图分类号:　T N304.121　引　言硅-硅直接键合(silicon to silicon direct bonding ,简称SDB )是将两个表面经亲水处理后的硅片面对面贴合,纯粹依靠分子或原子键合力作用形成良好的界面连续。

这种SDB 技术提供了一种全新的硅片加工工艺,克服了常规厚外延的自掺杂效应,避免了高温深扩散产生的热诱生缺陷,可以灵活地选择晶向、掺杂、电阻率。

它不仅是制造新一代功率器件的理想工艺,而且在微电子、微机械及微传感器领域极具发展前景。

硅片直接键合成功的关键是预键合前的亲水处理。

亲水处理的好坏,不仅决定了能否键合,而且也直接影响到键合界面的电输运特性。

一些文献报道了不同亲水处理液对键合质量的影响[1～4],但仅停留在一般的微空洞、机械特性比较上,没有讨论不同亲水处理液的微观作用机理,更甚少涉及对界面电特性的影响上。

本工作研究了亲水处理之微观作用机理和对界面电特性的影响,提出了获得理想键合界面的三步亲水处理法。

实验结果也表明了这种方法的良好效果。

2　不同清洗液的亲水处理微观机理2.1　亲水处理的微观机理当硅片经清洗液处理后表面不沾水分子时称为疏水处理。

反之,当清洗处理后表面吸附水分子时称为亲水处理。

纯净的硅片表面是疏水性的。

从能量观点看,疏水性表面属低能表面,这时硅表面张力r SG 小于水分子表面张力r S L 。

键合技术键合技术定义：在室温下两个硅片受范德瓦耳斯力作用相互吸引，硅片表面基团发生化学作用而键合在一起的技术。

键合技术广泛应于MEMS 器件领域，是一项充满活力的高新技术，对我国新技术的发展有十分重要的意义。

在MEMS 制造中，键合技术成为微加工中重要的工艺之一，它是微系统封装技术中重要的组成部分，主要包括以下几方面：1、阳极键合技术优点及应用优点:具有键合温度较低，与其他工艺相容性较好，键合强度及稳定性高，键合设备简单等优点。

应用:阳极键合主要应用于硅/硅基片之间的键合、非硅材料与硅材料、以及玻璃、金属、半导体、陶瓷之间的互相键合。

1、1 阳极键合机理阳极静电键合的机理：在强大的静电力作用下，将二个被键合的表面紧压在一起；在一定温度下，通过氧一硅化学价键合，将硅及淀积有玻璃的硅基片牢固地键合在一起。

1、2 阳极键合质量控制的主要因素（1）在硅片上淀积玻璃的种类硅-硅基片阳极键合是一种间接键合，间接键合界面需引入材料与硅基片热学性质匹配，否则会产生强大的内应力，严重影响键合质量。

因此对硅-硅基片阳极键合时淀积的玻璃种类要认真选择。

（2）高质量的硅基片准备工艺为了提高硅-硅阳极键合的质量，硅基片表面必须保持清洁，无有机残留物污染，无任何微小颗粒，表面平整度高。

为确保硅基片平整，光滑，表面绝对清洁，为此要采用合适的抛光工艺，然后施以适当的清洗工艺。

清洗结束后，应立刻进行配对键合，以免长期搁置产生表面污染。

（3）控制阳极键合工艺参数保证键合质量阳极键合的主要工艺参数：键合温度，施加的直流电压。

为了使玻璃层内的导电钠离子迁移，以建立必要的静电场。

普遍认为键合温度控制在200℃- 500℃较适宜。

推荐的施加电压一般在20V-1000V之间，其范围较宽，具体视玻璃材料性质及所选的键合温度来决定。

1、3 阳极键合技术的应用硅/硅阳极键合的许多实例是在微电子器件中制造SOI结构，此处介绍一种具体工艺流程，如图1-1所示。

硅硅直接键合工艺
硅硅直接键合工艺是一种新型的半导体封装技术，它通过将芯片直接键合到基板上，从而实现了更高的集成度和更小的封装尺寸。

这种技术具有许多优点，例如高可靠性、低成本、高效率等，因此在半导体行业中得到了广泛的应用。

硅硅直接键合工艺的原理是利用金属键合技术将芯片直接键合到基板上。

这种技术可以在不使用任何粘合剂的情况下实现芯片和基板的键合，从而避免了粘合剂可能带来的问题。

此外，硅硅直接键合工艺还可以实现多芯片的键合，从而实现更高的集成度和更小的封装尺寸。

硅硅直接键合工艺的优点主要包括以下几个方面：
1. 高可靠性。

硅硅直接键合工艺可以避免粘合剂可能带来的问题，从而提高了封装的可靠性。

2. 低成本。

硅硅直接键合工艺不需要使用粘合剂，从而降低了封装的成本。

3. 高效率。

硅硅直接键合工艺可以实现多芯片的键合，从而提高了封装的效率。

4. 更高的集成度。

硅硅直接键合工艺可以实现更高的集成度，从而实
现更小的封装尺寸。

硅硅直接键合工艺在半导体行业中得到了广泛的应用。

例如，在微处
理器、存储器、传感器等领域中，硅硅直接键合工艺都得到了广泛的
应用。

此外，硅硅直接键合工艺还可以用于制造MEMS（微机电系统）器件、光电子器件等。

总之，硅硅直接键合工艺是一种新型的半导体封装技术，它具有许多
优点，例如高可靠性、低成本、高效率等。

随着半导体技术的不断发展，硅硅直接键合工艺将会得到更广泛的应用。

硅片直接键合技术的氧等离子体表面处理硅片直接键合技术是一种常用于集成电路制造过程中的关键工艺。

在该技术中，氧等离子体表面处理起着重要的作用。

本文将从氧等离子体表面处理的原理、方法和优势等方面进行探讨。

一、氧等离子体表面处理的原理氧等离子体表面处理是一种利用氧等离子体对硅片表面进行处理的方法。

氧等离子体表面处理的原理是通过激发氧气分子产生等离子体，然后将等离子体引入反应室中，与硅片表面发生化学反应。

在氧等离子体中，氧分子会被激发成高能态的离子，这些离子具有较强的化学活性，可以与硅片表面的杂质或氧化物发生反应，从而改变硅片表面的性质。

二、氧等离子体表面处理的方法氧等离子体表面处理的方法主要包括湿法表面处理和干法表面处理两种。

1. 湿法表面处理湿法表面处理是将硅片浸泡在含有氧气的溶液中，通过溶液中的化学物质与硅片表面发生反应。

常用的湿法表面处理方法包括氢氟酸(HF)处理、氢氧化钠(NaOH)处理和氧化剂处理等。

这些方法可以去除硅片表面的杂质和氧化物，并改变硅片表面的电性能。

2. 干法表面处理干法表面处理是通过氧等离子体对硅片表面进行处理。

在干法表面处理过程中，硅片被放置在反应室中，然后通过高频电场激发氧气分子产生等离子体。

等离子体中的氧离子会与硅片表面的杂质或氧化物反应，从而改变硅片表面的性质。

干法表面处理具有处理速度快、反应温度低和反应物可控性好等优点。

三、氧等离子体表面处理的优势氧等离子体表面处理具有以下几个优势：1. 温度低氧等离子体表面处理是一种低温处理方法，不会导致硅片表面的热应力和结构改变。

这对于集成电路的制造非常重要，可以避免芯片的性能损失。

2. 处理速度快氧等离子体表面处理可以在短时间内完成，处理速度快。

这对于大规模生产具有重要意义，可以提高生产效率。

3. 可控性强氧等离子体表面处理过程中，可以通过调节反应条件和反应物浓度等参数来控制处理的效果。

这使得氧等离子体表面处理具有良好的可控性。

收稿日期:1998210209定稿日期:1998212205第29卷第5期1999年10月微电子学M icroelectronicsV o l 129,№5O ct 11999文章编号:100423365(1999)0520354204硅-硅直接键合的亲水处理及界面电特性何　进,王　新,陈星弼(电子科技大学　微电子学研究所,四川成都　610054)摘　要:　研究了基于亲水处理的微观机理分析和不同清洗剂亲水处理的过程及效果,提出了一种独特的三步亲水处理法。

这一方法既能顺利完成室温预键合,又能减少界面上非定形大尺寸Si O x 体的生成,避免了界面对电输运的势垒障碍,获得了理想的键合界面。

关键词:　半导体工艺;表面处理;硅片直接键合;亲水处理;界面特性中图分类号:　TN 30512文献标识码:　AA Three -Step M ethod for Hydroph il i c ity Trea t m en t i nSil i con -to -Sil i con D i rect Bondi n gH E J in ,WAN G X in ,CH EN X ing 2bi(Institute of m icroelectronics ,U niver 1E lec 1S ci 1&T echnol 1of China ,Chengd u ,S ichuan 610054)Abstract :　Based on the analysis of m icrom echan is m of hydroph ilicity treatm en t and effects of differ 2en t clean ing s o luti on s on silicon surface ,a un ique th ree 2step m ethod fo r hydroph ilicity treatm en t is p resen ted in the paper ,w h ich can no t on ly realize successful p re 2bonding at room te mperature ,but al 2s o avo id the grow n 2up of large size amo rphous Si O x that fo r m s barriers to electric tran s po rtati on in the bonding in terface 1A s a result ,an ideal bonding in terface can be obtained by using th is m ethod 1Key words :　Se m iconducto r p rocess ;Surface treatm en t ;Silicon 2to 2silicon direct bonding ;H y 2droph ilicity treatm en t ;In terface p roperty EEACC :　2550E1　引　言硅2硅直接键合(Silicon 2to 2silicon directbonding ,SDB )是将两个表面经亲水处理后的硅片面对面贴合,纯粹依靠分子或原子键合力作用形成良好的界面连续。

图２．４图２—５同），如图２—６所示，设单个硅片的厚度为“，表面起伏高度为２＾，凹部为一圆９合界面的电流传输特性。

因此控制氧化层厚度在２ｎｍ以下也是关键技术之一。

图２．１０用ＴＥＭ方法观测的退火到９５０℃的亲水键合片同时，氧化层的存在导致键合片中杂质扩散行为不同与半导体的正常扩散。

键合工艺控制的主要目的要保证界面杂质扩散特性。

由于键合界面晶格中断会产生一定的缺陷，从而降低少子寿命增大漏电流。

因此为保证后续器件的性能，杂质要有一定扩散，以使键合界面位于重掺杂区。

但如果杂质扩散太深，杂质分布将明显偏离突变ＰＮ结，Ｉ区串联电阻增大，使电子器件性能降低。

因此，需要通过键合片退火温度和时间控制，通过工艺优化，达到产品要求。

１４键合片中空洞。

通过软件处理可进行空洞面积测量，图像保存及有关分析功能的应用。

图３．４为用超声波显微镜检测硅硅键合片中的空洞图象。

此方法分辨率比较高，虽然所用到的系统比Ｘ射线的系统便宜，但还是相当昂贵，而且成像时间较长；最重要的一点是它必须将待测样品放在液体中扫描观测，因此在预键合阶段不能使用此方法检测空洞，这很大程度上限制了它在键合片上的应用。

图３．３超声波探测示意图１．）输入脒冲２．）输出端３．）ｒｆ转换器４．）相匹配的电路网５）ｚｎ０换能器６．）ｘｙ扫描器７）蓝宝石捧（１１ｋｍ，ｓ）８．）超声探头９．）相匹配的涂层１０．）去离子水（１５ｋｍ，ｓ）１ｌ１硅键台片样品图３－４硅键合片空洞超声波检测照片３．１．３红外透射检测法［４】红外透射检测方法（ＩＲ检测法）是在检测键合片空洞时最常用的方法，它是一种实时监控的探测方法。

图３．５为键合片界面空洞ＩＲ探测系统框图。

由于红外光在硅键合片界面空洞与硅材料之间的透射率不同，当一定强度的红外平行光线从键合片一面垂直入射到键合片表面时，在键合片另一面红外摄像仪将收集到该硅键合片透射的红外光，最后成像于监视器上，就可观察到硅键合片中空洞的大小、形状。

硅玻璃键合简介硅玻璃键合是一种常用的微纳技术，用于将两个或多个硅片或其他材料的表面结合在一起。

这种技术在微电子、光电子和传感器等领域中得到广泛应用。

硅玻璃键合技术具有高精度、高可靠性和低成本等优点，因此受到了研究者和工程师的青睐。

原理硅玻璃键合是利用硅片和玻璃之间的化学反应和物理力学力来实现的。

在键合过程中，首先将两个待键合的材料表面清洁，并在其表面形成氧化层。

然后，将两个材料放在一起，并施加一定的压力和温度。

在高温下，硅片表面的氧化层和玻璃表面的氧化层会发生化学反应，形成键合。

硅玻璃键合的原理可以归纳为以下几点：1.氧化层形成：在高温下，硅片和玻璃表面的氧化层会形成。

这是由于硅片和玻璃表面的氧与空气中的氧发生反应，形成了一层氧化层。

2.化学反应：在高温下，硅片表面的氧化层和玻璃表面的氧化层会发生化学反应，形成硅氧键。

这种化学反应使得两个材料的表面结合在一起。

3.物理力学力：在键合过程中，施加一定的压力可以增加键合的接触面积，从而增强键合的强度。

此外，温度的升高也可以增加键合的强度。

应用领域硅玻璃键合技术在微电子、光电子和传感器等领域中得到广泛应用。

微电子在微电子领域，硅玻璃键合技术被用于制造各种微电子器件，如集成电路、MEMS （微机电系统）和传感器等。

通过硅玻璃键合技术，可以将不同功能的芯片集成在一起，实现功能的组合和优化。

此外，硅玻璃键合技术还可以用于制造三维集成电路，提高电路的集成度和性能。

光电子在光电子领域，硅玻璃键合技术被用于制造光纤连接器、光波导器件和激光器等。

通过硅玻璃键合技术，可以将光纤和光波导器件有效地连接在一起，实现光信号的传输和处理。

此外，硅玻璃键合技术还可以用于制造光电子芯片，实现光电子集成和封装。

传感器在传感器领域，硅玻璃键合技术被用于制造各种传感器，如压力传感器、温度传感器和加速度传感器等。

通过硅玻璃键合技术，可以将传感器的敏感部分和电子部分有效地连接在一起，实现信号的采集和处理。