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等離子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,在晶圓表面引入所需基團,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。

等離子體活化晶片表面作用原理

將等離子體對晶片表面作用過程概括為如下四個部分:

(1) 去除表面有機污染物:由于實驗在非潔凈間進行,因此在操作過程中難免會造成晶片表面的污染,即使在活化實驗之前進行預清洗也無法保證將其全部去除。在活化過程中,等離子體高速轟擊晶片表面,通過等離子體的物理濺射作用以及等離子體的化學作用與有機污染物反應生成揮發性氣體兩種方式使得有機污染物從晶片表面解吸附。

(2) 降低表面粗糙度:在去除有機污染物后,潔凈的表面暴露于等離子體環境中。晶片表面相對較高的位置更容易受到等離子體轟擊,這些位置的表面共價鍵被等離子體打斷,使得部分Si原子處于游離態。在系統能量最小化的過程中,游離態的Si原子往相對位置較低的表面移動,使得原本凸起的表面形貌趨于平整,表面粗糙度降低。隨著活化時間的增長,晶片表面呈現出更加均勻的形貌起伏。這些微納結構能將晶片表面的親水性放大。

(3) 提高表面Si-OH密度:待鍵合晶片表面的Si-OH密度與鍵合強度直接相關。等離子體打斷晶片表面S-O-Si共價鍵,留下大量的Si-、Si-O-懸掛鍵,這些不穩定的懸掛鍵會吸附空氣中游離的-OH形成Si-OH以降低表面能,而等離子體轟擊形成的納米起伏增加了晶片的表面積,使得表面可以容納更多數量的Si-OH,親水基團的大量吸附也使晶片表面的親水性進一步提高。

(4) 輔助水分子及氣體分子擴散:根據Amirfeiz等人的研究成果,等離子體的處理會形成無序的表面結構,使氧化層變得疏松多孔,提高水分子的擴散速度,進而降低界面空洞產生的可能性,使得鍵合晶片表面接觸面積增大,鍵合強度更高。

晶圓等離子活化直接鍵合原理

晶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，完整的鍵合原理模型如圖1-1所示。

圖1-1 等離子體活化晶片直接鍵合原理模型 

對等離子體活化晶片直接鍵合原理進行總結,具體內容如下:

(1) 預鍵合階段:經等離子體處理后,晶片表面有機污染物得到去除,表面形貌得到整平,表面粗糙度降低,表面懸掛鍵密度增加,這些高活性的懸掛鍵吸附空氣中游離的-OH,在晶片表面形成親水的Si-OH基團,這些親水基團進一步吸附空氣中的水分子,使晶片表面被幾個分子層厚度的水膜覆蓋。于是,在活化完成后,將兩晶片在室溫下貼合,兩側晶片表面之間通過范德華力和極性-OH間的氫鍵連接以實現室溫下的預鍵合,但此時的鍵合強度較低,晶片之間容易分離。

(2) 室溫加壓階段:剛完成室溫下預鍵合的晶片界面存在幾個分子層厚度且膜厚分布不均的水膜,若直接進行鍵合后退火操作,隨著退火溫度的升高,擴散通道較短的水分子得以快速從界面逃逸或向基體內部擴散,使得該區域水膜厚度迅速減小,兩側表面靠近,距離足夠接近的Si-OH聚合生成Si-O-Si共價鍵;而擴散通道長的區域,仍有較多水分子殘留,導致水膜難以減薄,形成鍵合空洞,使界面鍵合面積及鍵合強度下降。因此,在退火之前進行室溫下的加壓操作,可以加速水分子的重新排列,使界面間的水膜厚度減薄,縮小兩側晶片表面的距離,由于等離子體的處理降低了表面粗糙度,因此部分Si-OH靠的足夠近,自發聚合脫水形成共價鍵連接,鍵合強度有所提高。

(3) 鍵合后退火階段:經過室溫加壓階段,水分子層得以重排,部分Si-OH自發聚合形成共價鍵連接,但界面仍主要依靠范德華力及氫鍵相連。在鍵合后退火階段,升高的溫度一方面加速了水分子的擴散運動,另一方面加速了Si-OH的聚合脫水反應。對于Si-Si鍵合以及Si-SiO2鍵合來說,擴散通道短的水分子能夠快速從界面逃逸,而其他區域的水分子能夠穿過薄氧化層向著Si基體擴散,并與Si反應得以消耗,新生成的H2分子也能被氧化層的微孔洞吸收。另外,已鍵合區域也會向未鍵合區域提供額外的壓力,促進兩側表面的接觸,使更多Si-OH聚合形成共價鍵連接,鍵合強度得到進一步提高。