[实用新型]硅/硅键合质量测试仪

说明书

本实用新型是硅/硅键合质量测试仪。硅/硅直接键合技术可被广泛地应用于SOI(在绝缘层上的硅)材料的制造、不同材料之间的连接及体硅微机械传感器与执行器的制造。硅片键合界面空洞的检测是其中的关键技术之一，一般采用红外的方法来测试键合面积大小。然而现有仪器一般采用只对红外线敏感的红外电荷耦合器件(CCD)摄像仪作为摄像器件，使得成本很高。本实用新型采用普通电荷耦合器件(CCD)摄像仪，普通光源，配以可变焦镜头，观测硅/硅直接键合样品，图像清晰实用，成本很低。

硅/硅键合技术是近几年来为了适应于新型微机械器件的发展，新型SOI材料的研究以及芯片的三维集成而出现的一种新型技术。硅/硅键合机制为：一般两硅片通过高温处理可直接键合到一起，中间不需要任何粘结剂，也不需要外加电场，工艺简单，这种技术称为硅/硅直接键合技术，也称为硅熔融技术。

一般的处理工艺为：

1、将两抛光硅片(氧化或未氧化)先经含OH离子的溶液浸泡处理。溶液可为硫酸双氧水的混合液、硝酸、RAC1(氨水∶双氧水∶水＝1∶1∶5)+RCA2(盐酸∶双氧水∶水＝1∶1∶5)。可进行单一的一次清洗，如硫酸双氧水的混合液在120℃下清洗20到60分钟(也可去除各种有机和无机的沾污，如各种碳氢化合物、各种重金属离子、钠钾等有害离子的沾污)，发烟硝酸浸泡或煮沸，或RCA1+RCA2常温浸泡或较高温度浸泡。也可进行多次清洗，如先用硫酸双氧水的混合液处理，接着用发烟硝酸浸泡，再用RCA1+RCA2常温浸泡或较高温度浸泡。有时为了使得清洗过的硅片表面系吸附的OH^-离子密度足够的大，常常先采用O或其它气体的等离子体处理，使得硅片表面某些硅氧键开裂，再用含有OH离子的溶液浸泡处理。一般采用这些清洗处理之后，硅片表面非常亲水化，一般其亲水角小于5度，亲水角度越小，硅片就越容易键合。这些化学清洗的作用在于能使得硅片表面的自然氧化层表面的硅氧键断裂，产生很多悬挂键，使得OH^-离子能很容易地结合到悬挂键上，例如采用RCA1+RCA2清洗，主要的化学反应有

经过这些化学处理过后的硅片经用清洗机甩干后，即可进行下一步的工作。

2、在室温下把清洗好的硅片面对面地贴合到一起，一般在两硅片的的中间加上一定的力，此时硅片之间在条件适合的情况下，就会由于范德瓦尔斯力的作用开始键合，形成氢键，产生键合波，在红外测试仪器上可以清楚地看到键合波由中间向外扩展。此时键合强度很弱，强度大小由氢键的键能决定。在红外测试仪下，可清楚地看到键合与未键合地区域。

3、将贴合好的硅片在氧气或氮气环境中经数小时高温退火，使得氢键发生聚化反应，生成二氧化硅，形成牢固的结合。文献报道当退火温度达到约150度以上，氢键就能发生聚化反应，生成二氧化硅。具体的化学反应为

            然而由于水的生成，也会产生一些小的空洞。当温度达到400℃以上后，聚化反应基本完成。当温度在500-800℃范围内，聚化反应产生的水向二氧化硅内扩散的速率很低，空洞依然存在。当温度达到800℃后，水向二氧化硅中扩散的速度变快，随着温度升高，扩散系数会增大。键合空洞中的水分子在高温下向二氧化硅中扩散，从而产生局部真空，使得硅片发生塑性形变而使空洞消失。在1000℃以上的高温下，二氧化硅的粘度降低，使得二氧化硅发生粘滞流动，消除了微间隙，邻近的原子间产生共价键，使得键合完成。

人们还发现采用HF酸清洗后的硅片，虽未经去离子水清洗，但面对面贴合到一起，也能在室温下形成键合，并且经高温处理后，键合强度也会随着温度的升高而增大。由于经HF酸处理后的硅片非常疏水，故称为疏水键合。但与硅/硅亲水键合相比，带HF酸进行键合处理比较困难，并且键合强度在500℃以下退火强度较低。