基于混合氣體活化的硅基鉭酸鋰晶圓鍵合研究

劉等等,帥 垚,,黃詩(shī)田,吳傳貴,,張萬(wàn)里,

(1.重慶郵電大學(xué) 光電工程學(xué)院,重慶 400065;2.電子科技大學(xué)重慶微電子產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院,重慶 401332;3.電子科技大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院,四川成都 611731)

近年來(lái),得益于離子切片技術(shù)[1]的成熟,使得納米級(jí)別厚度的壓電單晶鉭酸鋰薄膜可以鍵合在硅基襯底上,同時(shí)還可以保留單晶材料的壓電性能,這種復(fù)合結(jié)構(gòu)主要通過(guò)晶圓直接鍵合技術(shù)[2]實(shí)現(xiàn)。通過(guò)晶圓直接鍵合技術(shù),也可以實(shí)現(xiàn)不同半導(dǎo)體材料與硅基襯底之間的同質(zhì)和異質(zhì)集成,在硅基器件制造等方面得到了廣泛應(yīng)用[3-5]。晶圓直接鍵合是指兩片晶圓表面之間沒(méi)有任何介質(zhì)的直接粘結(jié),鍵合過(guò)程主要包括清洗、表面活化、預(yù)鍵合和熱處理四個(gè)環(huán)節(jié)[6]。在典型的鍵合工藝中,經(jīng)常采用高溫(＞800 ℃)退火來(lái)達(dá)到足夠的鍵合強(qiáng)度,然而退火溫度較高會(huì)導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)和界面損傷[7]。為了降低退火溫度,研究人員嘗試了多種方法,例如濕化學(xué)法鍵合[8]、真空紫外光活化鍵合[9]和等離子體活化鍵合等,而等離子體活化鍵合具有更低的鍵合溫度且環(huán)保,退火處理后的鍵合強(qiáng)度與常規(guī)的高溫退火方法得到的鍵合強(qiáng)度相當(dāng)[10]。等離子體活化鍵合主要是利用氧氣、氮?dú)夂蜌鍤獾葰怏w對(duì)晶圓表面進(jìn)行活化[11],通過(guò)等離子體活化,晶圓鍵合界面可以達(dá)到較高表面能。Lee 等[12]研究了氮、氧、氬等離子體活化對(duì)鍵合強(qiáng)度的影響,活化時(shí)間為10 min,結(jié)果表明氧等離子活化后鍵合強(qiáng)度最高,超過(guò)了3 MPa,但未考慮活化時(shí)間對(duì)鍵合強(qiáng)度的影響。Song等[13]研究了在氬氣氛圍中,不同活化時(shí)間對(duì)鍵合強(qiáng)度的影響,隨著活化時(shí)間從60 s 增加到540 s,鍵合強(qiáng)度先增后減,在420 s 時(shí)達(dá)到最大值9.45 MPa,但未考慮活化氣氛對(duì)鍵合強(qiáng)度的影響。楊建偉[14]介紹了不同等離子體激發(fā)頻率(40 kHz,13.56 MHz 和2.45 GHz)對(duì)材料表面親水性接觸角[15]的影響,對(duì)比發(fā)現(xiàn)頻率為13.56 MHz 時(shí)活化后表面接觸角最小,頻率為40 kHz時(shí)活化后表面接觸角最大。而較小的接觸角表明晶圓表面親水性強(qiáng),可以實(shí)現(xiàn)更好的鍵合質(zhì)量。

基于以上研究背景,本文以等離子體活化機(jī)理為基礎(chǔ),系統(tǒng)研究了不同活化氣氛、時(shí)間和頻率對(duì)親水性接觸角的影響,在此基礎(chǔ)上提出了采用混合氣體活化的方式對(duì)晶圓表面進(jìn)行處理,通過(guò)掃描電鏡(SEM)觀察了鍵合界面的微觀結(jié)構(gòu),并在低溫退火的工藝條件下實(shí)現(xiàn)了較高的鍵合強(qiáng)度。

1 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)選材為鉭酸鋰(LiTaO3,LT)晶圓與熱氧化的Si 襯底晶圓,根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求切割成20 mm×20 mm 的樣品,實(shí)驗(yàn)前按體積配制一定濃度的酸液(H2SO4∶H2O2體積比為1∶4)和堿液(NH3·H2O∶H2O2∶DI water 體積比為1∶1∶5),其中H2SO4、NH3·H2O 和H2O2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為98%,30%和30%。樣品在等離子體活化前,進(jìn)行粗糙度及親水性接觸角測(cè)試,表面用去離子水進(jìn)行超聲沖洗5 min,除去表面大顆粒,再利用一定濃度的酸液和堿液分別清洗10 min,除去晶圓表面有機(jī)物、金屬離子等雜質(zhì),吹干后再次進(jìn)行粗糙度測(cè)試及親水性接觸角測(cè)試,用以驗(yàn)證清洗對(duì)晶圓表面粗糙度和親水角的影響,做完試驗(yàn)后重新利用酸堿液清洗、吹干備用。

由于晶圓鍵合工藝不僅與晶圓表面平整度有關(guān),還和活化參數(shù)密切相關(guān),不同的活化時(shí)間、活化頻率和活化氣氛都會(huì)對(duì)鍵合工藝產(chǎn)生較大影響。而活化參數(shù)的優(yōu)劣主要用親水角來(lái)衡量,親水角越小晶圓自發(fā)鍵合速度越快,鍵合質(zhì)量越好,從而退火加固后鍵合強(qiáng)度越大。本文利用等離子體活化處理技術(shù),研究在不同活化時(shí)間(10,30,60,90 和120 s)、不同活化頻率(40 kHz,13.56 MHz 和2.45 GHz)以及不同活化氣氛(N2、O2和Ar)下,晶圓表面親水角的變化情況,根據(jù)親水角大小選擇最優(yōu)的活化時(shí)間和頻率。在此基礎(chǔ)上分別采用單一氣體和混合氣體對(duì)晶圓表面活化處理,進(jìn)行鍵合實(shí)驗(yàn),最后在150 ℃退火后進(jìn)行拉伸測(cè)試,研究不同活化氣氛下鍵合強(qiáng)度變化情況,最終確定最優(yōu)的活化參數(shù)。

2 結(jié)果與討論

2.1 清洗前后粗造度

酸堿液清洗后,原子力顯微鏡(AFM)所測(cè)的清洗前后晶圓表面形貌差異較大,在清洗后晶圓表面較為平整。LT 晶圓清洗前后表面的粗糙度分別為1.044 nm 和0.257 nm。Si 襯底晶圓清洗前后表面的粗糙度分別為0.461 nm 和0.227 nm。可以看出LT 晶圓在清洗前表面粗糙度較大,這是因?yàn)榍逑辞氨砻娲嬖谳^多的小顆粒雜質(zhì)及污染物,經(jīng)酸堿液清洗后,表面的小顆粒雜質(zhì)及污染物被充分溶解,從而使得表面光滑,粗糙度顯著減小;而Si 襯底晶圓粗糙度改善較小,這是由于襯底晶圓在做鍵合前會(huì)進(jìn)行拋光工藝,導(dǎo)致Si襯底晶圓在清洗后其表面平整度只會(huì)略有改善,因此在鍵合前清洗晶圓是不可缺少的一步,這也將有利于后續(xù)的鍵合工藝。

2.2 活化前后粗糙度

各選取5 片LT 晶圓和Si 襯底晶圓進(jìn)行實(shí)驗(yàn),圖1所示為活化前后的粗糙度變化情況,可以看出,活化前后晶圓表面的粗糙度變化不顯著,其數(shù)值大小均維持在0.4 nm 范圍內(nèi),活化前后粗糙度略有變化可能是由于AFM 的測(cè)量誤差導(dǎo)致的,因此活化過(guò)程中離子對(duì)晶圓表面的轟擊過(guò)程不會(huì)破壞其表面平整性。

圖1 LT 晶圓與Si 襯底晶圓活化前后粗糙度變化規(guī)律。(a)LT;(b)Si 襯底Fig.1 Roughness variation of LT wafer and Si substrate wafer before and after activation.(a) LT;(b) Si substrate

2.3 酸堿液清洗對(duì)晶圓親水角的影響

對(duì)未清洗的晶圓和清洗后的晶圓進(jìn)行親水角測(cè)試,發(fā)現(xiàn)清洗前后的LT 晶圓親水角分別為45.036°和34.525°,清洗前、后的Si 襯底晶圓親水角分別為49.745°和32.402°?？梢悦黠@看出,無(wú)論是LT 晶圓還是Si 襯底晶圓,親水角在晶圓清洗后,均得到明顯改善。部分實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖2,由圖可以得到,晶圓在清洗后親水角明顯變小。

圖2 Si 襯底晶圓清洗前后親水角變化情況。(a)清洗前;(b)清洗后Fig.2 Change of hydrophilic angle of Si substrate wafer before and after cleaning.(a) Before cleaning;(b) After cleaning

2.4 不同活化參數(shù)對(duì)LT 晶圓親水角的影響

在此實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,利用LT 樣片晶圓做了不同活化時(shí)間、頻率和氣氛對(duì)親水角的影響實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn),處理數(shù)據(jù)得到LT 晶圓親水角在不同活化氣氛和頻率下隨著活化時(shí)間的變化情況。

如圖3(a)所示,N2氛圍下,活化頻率為2.45 GHz,活化10 s 時(shí)親水角為14.44°,在活化時(shí)間為60 s 時(shí)親水角最小,達(dá)到了6.83°,而在活化120 s 時(shí)為13.571°,由此可知并不是活化時(shí)間越久越好;活化頻率為13.56 MHz 時(shí),親水角基本上是隨活化時(shí)間的增加而不斷減小,活化時(shí)間為120 s 時(shí)親水角減小到5.461°;活化頻率為40 kHz 時(shí),親水角維持在8°左右。

圖3 LT 晶圓親水角在不同活化氣氛和頻率下隨活化時(shí)間的變化規(guī)律。(a)N2;(b)O2;(c)ArFig.3 The variation of the hydrophilic angle of LT wafer with activation time under different activation atmospheres and frequencies.(a) N2;(b) O2;(c) Ar

如圖3(b)所示,O2氛圍下,活化頻率為2.45 GHz,活化60 s 時(shí)親水角為7.87°,達(dá)到了最小值;活化頻率為13.56 MHz,活化時(shí)間為90 s 時(shí)才達(dá)到最小值5.188°;活化頻率為40 kHz 時(shí),可以看出活化時(shí)間對(duì)親水角的影響極小,維持在7°左右。

而在Ar 氛圍下(如圖3(c)),活化頻率為2.45 GHz 和13.56 MHz,活化時(shí)間為60 s 時(shí)其親水角均達(dá)到了最小值,分別為8.358°和5.366°,而活化頻率為40 kHz,活化90 s 時(shí)其親水角才達(dá)到最小值8.301°。

綜上分析,無(wú)論N2、O2或者Ar 氛圍,在活化頻率為2.45 GHz 時(shí),LT 晶圓親水角隨著活化時(shí)間先減小再增大,活化時(shí)間為60 s 時(shí)其親水角最小。這是由于在活化頻率較高時(shí),若活化時(shí)間較短,晶圓表面的污染物經(jīng)等離子體轟擊后,并未充分反應(yīng),表面污染物仍有部分殘留,隨著活化時(shí)間增加至60 s 時(shí),污染物被充分反應(yīng),產(chǎn)生揮發(fā)性氣體后被排出等離子體活化腔,同時(shí)表面發(fā)生各種物理和化學(xué)反應(yīng),表面性能獲得優(yōu)化。而當(dāng)活化時(shí)間增加至90 s,親水角顯著增大,這是由于在高頻率活化時(shí),等離子體中的高能粒子與晶圓表面撞擊頻率較快,若活化時(shí)間過(guò)久,高能粒子加強(qiáng)了對(duì)晶圓表面的撞擊,會(huì)使得表面的一些活性基團(tuán)失去活性,從而減少了活性基團(tuán)的引入,導(dǎo)致親水角增大。在活化頻率為13.56 MHz 時(shí),活化時(shí)間為60 s 之前,親水角隨活化時(shí)間不斷減小,在活化時(shí)間為60 s 時(shí),表面的污染物基本已充分反應(yīng),親水角達(dá)到相對(duì)最小,活化時(shí)間在60 s 之后,親水角會(huì)隨著活化氣體的種類不同而發(fā)生變化,這是由于三種等離子體在頻率為13.56 MHz 活化時(shí)活化效果不同導(dǎo)致的?；罨l率為40 kHz 時(shí),在不同的活化氣氛下會(huì)隨著活化時(shí)間呈現(xiàn)出不規(guī)律的變化,這是由于活化頻率較低時(shí),氮或氧等離子體對(duì)表面的污染物清洗效果基本相同,且由于活化頻率較低,高能粒子與晶圓表面撞擊頻率極低,使得親水角在一個(gè)較小的范圍內(nèi)波動(dòng),而氬等離子體低頻活化效果較差,當(dāng)活化時(shí)間為90 s時(shí)才將晶圓表面的污染物完全去除。

2.5 不同活化參數(shù)對(duì)襯底晶圓親水角的影響

圖4 所示為襯底晶圓親水角在不同活化氣氛和頻率下隨著活化時(shí)間的變化情況。由圖4(a)可知,N2氛圍活化頻率為2.45 GHz 時(shí),襯底晶圓的親水角隨活化時(shí)間變化比較復(fù)雜,而對(duì)于活化頻率為13.56 MHz 和40 kHz 而言,其親水角均在活化60 s 時(shí)達(dá)到最小值,分別為5.772°和7.036°。由圖4(b)可知,O2氛圍下,活化頻率為2.45 GHz,活化時(shí)間為60 s 時(shí)其親水角達(dá)到最小為5.507°,活化頻率為13.56 MHz,活化時(shí)間為60 s 時(shí)親水角基本達(dá)到了最小值4.556°,活化頻率為40 kHz,活化時(shí)間為90 s 時(shí),其親水角達(dá)到最小值為6.17°。由圖4(c)可知,三種頻率活化時(shí),均在活化90 s 時(shí)其親水角達(dá)到了最小,分別為5.234°,5.115°和5.947°,而活化頻率為13.56 MHz,活化60 s 時(shí)其親水角為5.965°,與活化90 s 相比親水角基本無(wú)變化。

圖4 Si 襯底晶圓親水角在不同活化氣氛和頻率下隨活化時(shí)間的變化規(guī)律。(a)N2;(b)O2;(c)ArFig.4 The variation of the hydrophilic angle of Si substrate wafer with activation time under different activation atmospheres and frequencies.(a) N2;(b) O2;(c) Ar

綜上所述,活化頻率為2.45 GHz,N2活化30 s 時(shí)親水角最低,之后隨著活化時(shí)間延長(zhǎng)呈小范圍波動(dòng)態(tài)勢(shì),這可能是由于Si 襯底晶圓表面的活性基團(tuán)在失去活性后,隨活化時(shí)間延長(zhǎng)又產(chǎn)生了新的活性基團(tuán)所導(dǎo)致的。三種活化氣體氛圍中,活化頻率為13.56 MHz,活化時(shí)間約為60 s 時(shí),晶圓表面污染物被充分反應(yīng),且在表面形成了活性基團(tuán),使得親水角減小,之后隨著活化時(shí)間延長(zhǎng)部分活性基團(tuán)失去活性,導(dǎo)致在三種活化氣體氛圍中,親水角出現(xiàn)了不同程度的增大。而活化頻率為40 kHz,N2活化60 s 及O2或Ar 單獨(dú)活化90 s 時(shí),晶圓表面污染物被去除干凈的同時(shí),在晶圓表面形成了較好的活性基團(tuán),從而使得表面的潤(rùn)濕性能最佳。

2.6 混合氣體活化對(duì)LT 晶圓和襯底晶圓親水角的影響

由上面的分析可知,無(wú)論是LT 還是Si 襯底晶圓,活化頻率為2.45 GHz 和40 kHz,在不同活化氣氛且活化時(shí)間為60 s 時(shí),其親水角基本都高于在同等條件下活化頻率為13.56 MHz 時(shí)的親水角。由于等離子體設(shè)備內(nèi)腔溫度會(huì)隨著活化時(shí)間的增加而升高,對(duì)LT 晶圓而言,活化時(shí)間過(guò)長(zhǎng),溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致裂片,由此暫時(shí)固定活化時(shí)間為60 s,活化頻率為13.56 MHz。Ar 氛圍三種活化頻率下,會(huì)隨著活化時(shí)間呈現(xiàn)出不穩(wěn)定的變化規(guī)律。例如,從LT 晶圓親水角變化來(lái)看,在活化頻率為13.56 MHz 時(shí)會(huì)出現(xiàn)角度先減小再增大,最后再減小的現(xiàn)象,而對(duì)于襯底晶圓而言,在活化時(shí)間超過(guò)30 s 之后會(huì)出現(xiàn)角度基本無(wú)變化的現(xiàn)象,因此考慮活化氣體暫定為N2和O2,由于它們兩者在活化頻率為13.56 MHz、活化時(shí)間為60 s 時(shí),親水角都比較小,因此考慮N2加O2混合活化60 s,活化時(shí)兩種氣體進(jìn)氣速率均為110 mL/min,即兩種氣體的體積流量比為1∶1。由前面的研究可知,在活化頻率為13.56 MHz,活化時(shí)間為60 s 時(shí),采用N2或O2對(duì)Si基襯底晶圓表面活化處理后,親水角基本相同;對(duì)LT晶圓表面處理后,采用N2活化處理后的親水角要比O2活化處理后的親水角小,要通過(guò)改變流量比例提升活化效果,可考慮適當(dāng)提升氮?dú)獾牧髁俊?/p>

本文探究了氣體體積流量比為1∶1 時(shí)的活化效果,其活化結(jié)果如圖5,可以看出N2加O2混合活化60 s 后,LT 晶圓和Si 襯底晶圓的親水角均減小很多,分別為4.244°和3.859°。

圖5 LT 晶圓和Si 襯底晶圓氮?dú)饧友鯕饣罨笥H水角測(cè)試圖。(a)LT 晶圓;(b)Si 襯底晶圓Fig.5 Test diagram of hydrophilic angle of LT wafer and Si wafer after nitrogen and oxygen activation.(a) LT wafer;(b) Si substrate wafer

2.7 鍵合質(zhì)量表征

利用活化頻率為13.56 MHz、活化氣氛為N2加O2混合活化60 s,做完鍵合后其鍵合效果如圖6(a),可以看出鍵合質(zhì)量較好。為了更精確地檢查鍵合界面,用SEM 測(cè)試了樣片的橫截面如圖6(b)。鍵合面為SiO2與LT 之間的界面,界面材料相互滲透,界面很薄,很難用掃描電鏡測(cè)量厚度。這表明這兩個(gè)晶片結(jié)合緊密,沒(méi)有空隙,鍵合界面良好。

圖6 鍵合質(zhì)量表征。(a)鍵合效果圖;(b)SEM 掃描圖Fig.6 Characterization of bonding quality.(a) Bonding effect diagram;(b) SEM scanning diagram

2.8 鍵合強(qiáng)度分析

為測(cè)試不同樣品的粘接強(qiáng)度,分別采用O2、N2、Ar 以及N2加O2混合活化60 s,經(jīng)150 ℃退火加固后,切成20 mm×20 mm 小片,將小片用環(huán)氧樹(shù)脂膠粘接在夾具上。為了獲得較強(qiáng)的附著力,樣品在室溫下放置24 h 后再做拉伸強(qiáng)度測(cè)試。圖7 所示為N2加O2活化的鍵合樣品被拉開(kāi)后的截面圖,可以看出膠水粘接良好,樣品被完好地拉開(kāi)且體材料并未斷裂,說(shuō)明所測(cè)得鍵合強(qiáng)度數(shù)據(jù)準(zhǔn)確。

圖7 鍵合樣品拉開(kāi)后的截面圖Fig.7 Cross-section of bonded sample after pulling apart

對(duì)鍵合樣片質(zhì)量進(jìn)行表征,測(cè)得其拉力分別為3274,3197,2826,3620 N,其鍵合強(qiáng)度如圖8,可以看出,N2加O2混合活化的鍵合片,其鍵合強(qiáng)度達(dá)到了9.05 MPa,單一氣體活化后其鍵合強(qiáng)度均小于混合氣體活化后的鍵合強(qiáng)度,可見(jiàn)N2加O2混合活化顯著提高了鍵合質(zhì)量。

圖8 不同活化氣氛下的鍵合強(qiáng)度Fig.8 Bonding strength under different activation atmospheres

3 結(jié)論

本文首先研究了LT 晶圓和Si 襯底晶圓在清洗前后的粗糙度和親水角變化情況,發(fā)現(xiàn)清洗可以降低晶圓表面的粗糙度和親水角,同時(shí)活化對(duì)晶圓的粗糙度基本無(wú)影響。其次研究了LT 晶圓和Si 襯底晶圓在不同活化氣氛、頻率和時(shí)間下的親水角變化情況,得到在活化頻率為13.56 MHz 且活化時(shí)間為60 s 時(shí),N2或O2活化后其親水角最小。最后考慮采用N2加O2混合活化60 s 方式進(jìn)行活化處理,結(jié)果發(fā)現(xiàn)混合活化后LT晶圓和Si 襯底晶圓親水角達(dá)到最小,分別為4.244°和3.859°。在此活化參數(shù)下做完鍵合后,用SEM 測(cè)試了樣片的橫截面,發(fā)現(xiàn)鍵合質(zhì)量良好,最后對(duì)比了分別用O2、N2、Ar 以及N2加O2混合活化60 s 后的鍵合片經(jīng)150 ℃退火后的鍵合強(qiáng)度,結(jié)果發(fā)現(xiàn)混合活化后鍵合強(qiáng)度最大,達(dá)到了9.05 MPa。因此,通過(guò)優(yōu)化等離子體活化參數(shù)提升晶圓鍵合強(qiáng)度是可行的,這對(duì)新型聲學(xué)器件襯底材料的制備與集成有較好的參考價(jià)值。