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硅圆片等离子键合工艺及其原理介绍

文章出处:本站 | 网站编辑:深圳纳恩科技有限公司| 发表时间:2022-11-18
在高密度互连要求越来越强的趋势下,等离子键合工艺是现阶段发展最快、最受人们关注的微加工技术之一,这种技术利用等离子轰击硅圆片表面,可提高其表面能,实现直接键合。在严格控制好工艺参数的情况下,用等离子体对硅圆片表面进行活化,能大大提高键合强度,减少空洞或空隙的产生,得到较好的键合效果。与湿法活化相比,等离子表面活化有着诸多优点,对处理材料的类型没有作硬性要求,清洗及活化效果也更显著,因此等离子键合在微型传感器和三维集成封装等工业生产中的应用也日趋广泛。
等离子键合设备
自20世纪80年代以来,硅圆片的键合技术已广泛用于传感器和执行器中。但是,硅圆片预键合通常要在1000℃以上的高温条件下进行退火才能达到较高的粘接强度,而高温容易引起多方面劣质问题的产生,如基板结构的不良变化和反应,各种材料因热膨胀系数不同而引起的键合部分应力增加等。尤其是工业生产中已经用于制造器件的硅圆片,高温条件下硅与其他部分的材料由于热不匹配导致较大的热应力而使器件遭到破坏,或发生一系列化学反应后出现的缺陷或污染使器件失效。

等离子键合工艺


目前键合技术发展的现状而言,等离子活化直接键合无疑是一项极其引人瞩目的技术。其工艺特点是将两片完整的圆片(裸片或者已经制备的器件)在不借助任何中间层和外界压力、电压的情况下经等离子处理后直接形成良好接触。目前圆片直接键合主要通过湿法活化实现,其原理是通过化学溶液使圆片表面能提高从而达到键合目的,由于对设备要求不高、成本低廉使其应用较为广泛。但相比较而言,等离子键合有许多湿法活化无法达到的优点,如处理均匀性好、用时短、效率高、无污染、操作方便等。

等离子键合原理


圆片直接键合工艺通常包括表面清洗及活化、预键合、退火等步骤,表面活化键合的工艺和参数直接影响到表面悬挂羟基的数量及最终键合情况。因此,预键合前的表面活化成为了等离子键合中最关键的工艺步骤,相应活化原理也是键合原理的基础。

等离子表面活化是现在比较常用的一种干法活化方法,能对物体表面实现超洁净清洗,去除表面的有机物污染和氧化物,在圆片表面引入所需基团,增强其键合能力。该方法主要利用等离子体中电子、离子、自由基等活性粒子的能量与材料表面进行撞击,在撞击的过程中发生能量转移而产生物理或化学反应来实现清洗、蚀刻及表面活化等。电子对物体表面的撞击作用,可促使吸附在物体表面的气体分子发生分解,并且大量的电子撞击有利于引起化学反应。离子与物体表面的作用通常指带正电荷的阳离子作用,阳离子有加速冲向带负电荷表面的倾向,使物体表面获得相当大的动能,足以撞击去除表面上附着的颗粒性物质。自由基在等离子体中的作用最突出,它与物体表面的分子结合时,会释放出大量结合能,这种能量成为新的推动力引发表面额外反应产生,从而引发物体表面的物质发生化学反应而被去除。

终上所述,等离子体对硅圆片表面的活化原理即为:硅圆片在活性粒子的轰击作用下其表面会产生物理化学的双重反应,使被清洗物的表面污染物变成粒子或气体状态,经过真空抽离而排出,从而达到对表面的清洗和活化目的。用等离子技术对硅圆片进行表面预处理,会引起表面产生高度不规则的多孔结构,提高键合界面水分子的扩散,使表面OH基数量增加,这样能提高表面的反应性,从而提高键合质量,如图1所示,为等离子对硅圆片表面活化的结构示意图。将活化圆片经冲水处理后,直接贴合在一起完成键合。
等离子对硅圆片表面活化的结构示意图
等离子对硅圆片表面活化的结构示意图

 
相比于阳极键合,等离子键合无须外电场作用,能在较低温度下达到更高的键合强度;与中介层键合相比,等离子键合省略了中介层,也就避免了中介层与键合材料在性能上不兼容而影响键合效果,使键合质量有保障。
 

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