硅-硅直接键合工艺

硅-硅直接键合技术就是将两个抛光硅片经化学清洗和活化处理后在室温下粘贴在一起，再经过高温退火处理，使键合界面发生物理化学反应，形成强度很大的化学共价键连接，增加键合强度而形成一个整体。该技术具有工艺简单，两键合硅片的晶向、电阻率和导电类型可自由选择，与半导体工艺完全兼容，并且键合强度大，键合后的界面可以承受磨片、抛光和高温处理等优点。自1985年Lasky首次报道以来，该技术得到广泛重视与快速发展。如今，硅-硅直接键合技术已经广泛应用于SOI、MEMS和电力电子器件等领域。

    硅-硅直接键合工艺按照要键合的硅片表面亲水性的不同分为亲水键合和疏水键合。对于亲水键合，工艺一般分为三步：

    （1）将两片表面平整洁净的抛光硅片（氧化或未氧化）先经适当表面清洗与活化（OH-溶液或等离子体）。

    （2）在室温下将硅片的抛光面贴合在一起，使两硅片在室温下依靠短程的分子间作用力吸合在一起。

    （3）将贴合好的硅片在O2或N2环境下经过数小时的高温退火处理，使界面发生物理化学反应，增加键合强度形成整体。

    与亲水键合工艺相比较，疏水硅-硅键合工艺要求键合界面没有氧化层和本征氧化层，要求所用的硅片为未氧化的抛光硅片并且要用稀释HF酸漂去硅片表面的本征氧化层，所以比亲水键合工艺增加了HF酸漂洗的工艺，疏水硅-硅键合工艺分为下面几步：

    （1）将两片表面平整洁净的抛光硅片先经适当表面清洗与活化（OH-溶液或等离子体）。

    （2）将经过表面清洗与活化处理的硅片放入1~2%的稀释的HF酸溶液中漂洗1~2分钟，完全漂去硅片表面的本征氧化层，用去离子水冲洗或不冲洗，然后甩干。

    （3）在室温下将硅片的抛光面贴合在一起，使两硅片在室温下依靠短程的分子间作用力吸合在一起。

    （4）将贴合好的硅片在N2环境下经过数小时的高温退火处理，使界面发生物理化学反应，增加键合强度形成一个整体。

    下面讨论亲水键合的情况：

    首先，来片检测，硅-硅直接键合技术非常依赖硅片的表面情况，直接关系到键合的好坏和成败，如果硅片的表面起伏过大，两个硅片就无法完成预键合。另外，不同硅片供应商提供的硅片的表面起伏差别也很大。

    其次，清洗工艺，硅片的表面有大量的悬挂键，可以吸附环境中的气体分子和有机物，在硅片的表面形成污染，在高温退火的过程中这些有机物分解成气体并在键合界面生成空洞。一般用强氧化性溶液加热处理，使有机物氧化分解。

    第三步，活化处理，一种是用含OH离子溶液，另外一种是用Ar气等离子体处理，在强氧化的作用下使硅片生成一层本征氧化层，吸附大量的OH团，再用大量的去离子水冲洗，用甩干机甩干。

    第四步，预键合，在室温下或加热到一定的温度下，把要键合的硅片的抛光面按照晶向对准，然后在硅片的中心加一个外力，使硅片首先在中间键合在一起，然后键合波向硅片的四周边沿扩展，最后把两个硅片完全键合在一起。现在的机器预键合设备可以完成晶向对准、加热、抽真空和充气等多种功能。

    第五步，空洞检测，用红外系统检测键合界面的键合情况，防止有大的空洞和大面积陷入气体，同时淘汰不合格的预键合硅片。

    第六步，高温退火，在高温下，键合硅片之间发生强烈的物理-化学反应，生成强的化学共价键，使键合完成。为了避免高温时有空洞长生，高温退火温度一般在900℃以上，同时要充O2或N2。

    第七步，空洞检测，与第五步相同，检测在高温退火的过程中是否有空洞生成，挑选符合要求的键合硅片。