劉等等,帥 垚,,黃詩田,吳傳貴,,張萬里,

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

近年來,得益于離子切片技術[1]的成熟,使得納米級別厚度的壓電單晶鉭酸鋰薄膜可以鍵合在硅基襯底上,同時還可以保留單晶材料的壓電性能,這種復合結(jié)構主要通過晶圓直接鍵合技術[2]實現(xiàn)。通過晶圓直接鍵合技術,也可以實現(xiàn)不同半導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用[3-5]。晶圓直接鍵合是指兩片晶圓表面之間沒有任何介質(zhì)的直接粘結(jié),鍵合過程主要包括清洗、表面活化、預鍵合和熱處理四個環(huán)節(jié)[6]。在典型的鍵合工藝中,經(jīng)常采用高溫(＞800 ℃)退火來達到足夠的鍵合強度,然而退火溫度較高會導致材料結(jié)構和界面損傷[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度與常規(guī)的高溫退火方法得到的鍵合強度相當[10]。等離子體活化鍵合主要是利用氧氣、氮氣和氬氣等氣體對晶圓表面進行活化[11],通過等離子體活化,晶圓鍵合界面可以達到較高表面能。Lee 等[12]研究了氮、氧、氬等離子體活化對鍵合強度的影響,活化時間為10 min,結(jié)果表明氧等離子活化后鍵合強度最高,超過了3 MPa,但未考慮活化時間對鍵合強度的影響。Song等[13]研究了在氬氣氛圍中,不同活化時間對鍵合強度的影響,隨著活化時間從60 s 增加到540 s,鍵合強度先增后減,在420 s 時達到最大值9.45 MPa,但未考慮活化氣氛對鍵合強度的影響。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)對材料表面親水性接觸角[15]的影響,對比發(fā)現(xiàn)頻率為13.56 MHz 時活化后表面接觸角最小,頻率為40 kHz時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,可以實現(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理為基礎,系統(tǒng)研究了不同活化氣氛、時間和頻率對親水性接觸角的影響,在此基礎上提出了采用混合氣體活化的方式對晶圓表面進行處理,通過掃描電鏡(SEM)觀察了鍵合界面的微觀結(jié)構,并在低溫退火的工藝條件下實現(xiàn)了較高的鍵合強度。

1 實驗

實驗選材為鉭酸鋰(LiTaO3,LT)晶圓與熱氧化的Si 襯底晶圓,根據(jù)實驗要求切割成20 mm×20 mm 的樣品,實驗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)量分數(shù)分別為98%,30%和30%。樣品在等離子體活化前,進行粗糙度及親水性接觸角測試,表面用去離子水進行超聲沖洗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,除去晶圓表面有機物、金屬離子等雜質(zhì),吹干后再次進行粗糙度測試及親水性接觸角測試,用以驗證清洗對晶圓表面粗糙度和親水角的影響,做完試驗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,還和活化參數(shù)密切相關,不同的活化時間、活化頻率和活化氣氛都會對鍵合工藝產(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度越大。本文利用等離子體活化處理技術,研究在不同活化時間(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)的活化時間和頻率。在此基礎上分別采用單一氣體和混合氣體對晶圓表面活化處理,進行鍵合實驗,最后在150 ℃退火后進行拉伸測試,研究不同活化氣氛下鍵合強度變化情況,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?？梢钥闯鯨T 晶圓在清洗前表面粗糙度較大,這是因為清洗前表面存在較多的小顆粒雜質(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進行拋光工藝,導致Si襯底晶圓在清洗后其表面平整度只會略有改善,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 襯底晶圓進行實驗,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 的測量誤差導致的,因此活化過程中離子對晶圓表面的轟擊過程不會破壞其表面平整性。

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 酸堿液清洗對晶圓親水角的影響

對未清洗的晶圓和清洗后的晶圓進行親水角測試,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。部分實驗數(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LT 晶圓親水角的影響

在此實驗基礎上,利用LT 樣片晶圓做了不同活化時間、頻率和氣氛對親水角的影響實驗。經(jīng)過實驗,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 時親水角為14.44°,在活化時間為60 s 時親水角最小,達到了6.83°,而在活化120 s 時為13.571°,由此可知并不是活化時間越久越好;活化頻率為13.56 MHz 時,親水角基本上是隨活化時間的增加而不斷減小,活化時間為120 s 時親水角減小到5.461°;活化頻率為40 kHz 時,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 時親水角為7.87°,達到了最小值;活化頻率為13.56 MHz,活化時間為90 s 時才達到最小值5.188°;活化頻率為40 kHz 時,可以看出活化時間對親水角的影響極小,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,活化時間為60 s 時其親水角均達到了最小值,分別為8.358°和5.366°,而活化頻率為40 kHz,活化90 s 時其親水角才達到最小值8.301°。

綜上分析,無論N2、O2或者Ar 氛圍,在活化頻率為2.45 GHz 時,LT 晶圓親水角隨著活化時間先減小再增大,活化時間為60 s 時其親水角最小。這是由于在活化頻率較高時,若活化時間較短,晶圓表面的污染物經(jīng)等離子體轟擊后,并未充分反應,表面污染物仍有部分殘留,隨著活化時間增加至60 s 時,污染物被充分反應,產(chǎn)生揮發(fā)性氣體后被排出等離子體活化腔,同時表面發(fā)生各種物理和化學反應,表面性能獲得優(yōu)化。而當活化時間增加至90 s,親水角顯著增大,這是由于在高頻率活化時,等離子體中的高能粒子與晶圓表面撞擊頻率較快,若活化時間過久,高能粒子加強了對晶圓表面的撞擊,會使得表面的一些活性基團失去活性,從而減少了活性基團的引入,導致親水角增大。在活化頻率為13.56 MHz 時,活化時間為60 s 之前,親水角隨活化時間不斷減小,在活化時間為60 s 時,表面的污染物基本已充分反應,親水角達到相對最小,活化時間在60 s 之后,親水角會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 活化時活化效果不同導致的?；罨l率為40 kHz 時,在不同的活化氣氛下會隨著活化時間呈現(xiàn)出不規(guī)律的變化,這是由于活化頻率較低時,氮或氧等離子體對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,使得親水角在一個較小的范圍內(nèi)波動,而氬等離子體低頻活化效果較差,當活化時間為90 s時才將晶圓表面的污染物完全去除。

2.5 不同活化參數(shù)對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間的變化情況。由圖4(a)可知,N2氛圍活化頻率為2.45 GHz 時,襯底晶圓的親水角隨活化時間變化比較復雜,而對于活化頻率為13.56 MHz 和40 kHz 而言,其親水角均在活化60 s 時達到最小值,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,活化時間為60 s 時其親水角達到最小為5.507°,活化頻率為13.56 MHz,活化時間為60 s 時親水角基本達到了最小值4.556°,活化頻率為40 kHz,活化時間為90 s 時,其親水角達到最小值為6.17°。由圖4(c)可知,三種頻率活化時,均在活化90 s 時其親水角達到了最小,分別為5.234°,5.115°和5.947°,而活化頻率為13.56 MHz,活化60 s 時其親水角為5.965°,與活化90 s 相比親水角基本無變化。

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 時親水角最低,之后隨著活化時間延長呈小范圍波動態(tài)勢,這可能是由于Si 襯底晶圓表面的活性基團在失去活性后,隨活化時間延長又產(chǎn)生了新的活性基團所導致的。三種活化氣體氛圍中,活化頻率為13.56 MHz,活化時間約為60 s 時,晶圓表面污染物被充分反應,且在表面形成了活性基團,使得親水角減小,之后隨著活化時間延長部分活性基團失去活性,導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 單獨活化90 s 時,晶圓表面污染物被去除干凈的同時,在晶圓表面形成了較好的活性基團,從而使得表面的潤濕性能最佳。

2.6 混合氣體活化對LT 晶圓和襯底晶圓親水角的影響

由上面的分析可知,無論是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間為60 s 時,其親水角基本都高于在同等條件下活化頻率為13.56 MHz 時的親水角。由于等離子體設備內(nèi)腔溫度會隨著活化時間的增加而升高,對LT 晶圓而言,活化時間過長,溫度過高會導致裂片,由此暫時固定活化時間為60 s,活化頻率為13.56 MHz。Ar 氛圍三種活化頻率下,會隨著活化時間呈現(xiàn)出不穩(wěn)定的變化規(guī)律。例如,從LT 晶圓親水角變化來看,在活化頻率為13.56 MHz 時會出現(xiàn)角度先減小再增大,最后再減小的現(xiàn)象,而對于襯底晶圓而言,在活化時間超過30 s 之后會出現(xiàn)角度基本無變化的現(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、活化時間為60 s 時,親水角都比較小,因此考慮N2加O2混合活化60 s,活化時兩種氣體進氣速率均為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,活化時間為60 s 時,采用N2或O2對Si基襯底晶圓表面活化處理后,親水角基本相同;對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,要通過改變流量比例提升活化效果,可考慮適當提升氮氣的流量。

本文探究了氣體體積流量比為1∶1 時的活化效果,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 襯底晶圓氮氣加氧氣活化后親水角測試圖。(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,很難用掃描電鏡測量厚度。這表明這兩個晶片結(jié)合緊密,沒有空隙,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 鍵合強度分析

為測試不同樣品的粘接強度,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)氧樹脂膠粘接在夾具上。為了獲得較強的附著力,樣品在室溫下放置24 h 后再做拉伸強度測試。圖7 所示為N2加O2活化的鍵合樣品被拉開后的截面圖,可以看出膠水粘接良好,樣品被完好地拉開且體材料并未斷裂,說明所測得鍵合強度數(shù)據(jù)準確。

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

對鍵合樣片質(zhì)量進行表征,測得其拉力分別為3274,3197,2826,3620 N,其鍵合強度如圖8,可以看出,N2加O2混合活化的鍵合片,其鍵合強度達到了9.05 MPa,單一氣體活化后其鍵合強度均小于混合氣體活化后的鍵合強度,可見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,同時活化對晶圓的粗糙度基本無影響。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 且活化時間為60 s 時,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 測試了樣片的橫截面,發(fā)現(xiàn)鍵合質(zhì)量良好,最后對比了分別用O2、N2、Ar 以及N2加O2混合活化60 s 后的鍵合片經(jīng)150 ℃退火后的鍵合強度,結(jié)果發(fā)現(xiàn)混合活化后鍵合強度最大,達到了9.05 MPa。因此,通過優(yōu)化等離子體活化參數(shù)提升晶圓鍵合強度是可行的,這對新型聲學器件襯底材料的制備與集成有較好的參考價值。