表面清潔工藝對硅片與晶圓鍵合的影響

引言

隨著產(chǎn)業(yè)和消費升級，電子設備不斷向小型化、智能化方向發(fā)展，對電子設備提出了更高的要求?？煽康姆庋b技術(shù)可以有效提高器件的使用壽命。陽極鍵合技術(shù)是晶圓封裝的有效手段，已廣泛應用于電子器件行業(yè)。其優(yōu)點是鍵合時間短、鍵合成本低。溫度更高，鍵合效率更高，鍵合連接更可靠。

電子器件封裝過程中對晶圓表面的要求很高。晶圓表面的質(zhì)量直接影響鍵合工藝。晶圓表面的雜質(zhì)顆粒和氧化層會導致鍵合效率和鍵合強度的下降。晶圓表面清洗工藝主要是去除這些雜質(zhì)顆粒和氧化層，為鍵合準備合格的界面性能。在陽極鍵合過程中，鍵合界面需要緊密結(jié)合。但從微觀上看，存在多個點接觸。當表面光滑時，接觸點較多，鍵合效率高，這對被鍵合材料的表面粗糙度提出了更高的要求。

本文主要研究了三種不同清洗工藝對硅片的表面處理,分析了不同清洗工藝對硅片表面粗糙度和潔凈度的影響。

實驗與討論

1.粗糙度分析

圖1：采用不同工藝進行表面清潔后的粗糙度 AFM 圖像: (a) 脫脂；(b) 食人魚溶液；(c) RCA 溶液清潔

圖1為三種不同清洗工藝下硅片表面的AFM圖像?？梢钥闯?，三種處理后硅片的平均表面粗糙度（Ra）不同，脫脂后的硅片較大（2.35 nm）， 食人魚清洗過的硅片較?。?.65 nm），RCA 清洗的硅片介于兩者之間 (0.89 nm)。在陽極鍵合中，晶片表面越光滑，在強靜電場的作用下界面接觸點越多，從而提高鍵合效率。由于硅片的粗糙度是重要的鍵合參數(shù)，因此食人魚和RCA加工更加合理。

2.紅外分析

圖2：不同清洗處理后晶圓表面的紅外圖像：(a)脫脂；(b)食人魚；(c)RCA

對三種不同表面清潔晶圓的IR測試表明，食人魚清潔晶圓的表面灰塵和牛頓條紋較少，其次是RCA清潔晶圓。脫脂后的晶圓上有大量灰塵和顆粒，會影響鍵合反應，導致鍵合效率低（圖2）。從紅外分析可以看出，食人魚和RCA處理工藝有利于提高鍵合效率。

3.陽極鍵合電壓分析

通過對表面粗糙度和清潔度的研究可以發(fā)現(xiàn)，晶圓經(jīng)過食人魚和RCA清洗后，鍵合效率更高。當鍵合過程開始時，鍵合電流很快達到峰值，然后隨著鍵合過程逐漸減小，鍵合電流達到穩(wěn)定值。鍵合時，在強靜電場的作用下，鍵合界面產(chǎn)生強大的吸引力。隨著時間的推移，產(chǎn)生的化學反應完成，離子遷移結(jié)束，鍵合電流減小并趨于穩(wěn)定。

結(jié)論

隨著MEMS器件的多樣化和智能化，高效可靠的晶圓封裝成為研究的重點，而封裝前的清洗工藝對鍵合質(zhì)量有著重要的影響。本文分析了三種不同的清洗工藝對晶圓表面的影響。

原子力顯微鏡觀察表明，用食人魚溶液清洗的晶圓表面粗糙度較高，而用RCA溶液清洗更有利于界面的緊密結(jié)合。紅外測試表明，脫脂后的晶片表面較差，導致鍵合效率下降。在陽極鍵合實驗中發(fā)現(xiàn)，隨著外加電壓的增加，鍵合電流增大，而鍵合時間減小，鍵合效率提高。這種情況在用RCA溶液清洗的晶圓的粘接中更為明顯。綜合分析表明，在相同電壓下，RCA清洗工藝更有利于陽極鍵合。

審核編輯 黃宇