摘要

本文展示了一種通過兩步濕化學(xué)表面清洗來結(jié)合硅和石英玻璃晶片的簡易結(jié)合工藝。在200℃后退火后，獲得沒有缺陷或微裂紋的強(qiáng)結(jié)合界面。在詳細(xì)的表面和結(jié)合界面表征的基礎(chǔ)上，對結(jié)合機(jī)理進(jìn)行了探索和討論。終止于清潔表面上的氨基可能有助于退火過程中結(jié)合強(qiáng)度的提高。這種具有成本效益的鍵合工藝對于硅基和玻璃基異質(zhì)集成具有巨大的潛力，而不需要真空系統(tǒng)。

實(shí)驗結(jié)果和討論

圖1(a)。在裂紋打開方法中，剃刀刀片幾乎不能插入到結(jié)合的晶片之間。由于后退火后的大的結(jié)合強(qiáng)度(> 2.0J=m2)，在結(jié)合的晶片的邊緣上出現(xiàn)斷裂。這種結(jié)合強(qiáng)度可以承受隨后苛刻的機(jī)械研磨或拋光過程。

圖1.（在線彩色）(a)由SPM→RCA清洗和切割制備的75mm結(jié)合Si=石英晶片對由于200°C退火后粘合強(qiáng)度大的光學(xué)圖像。橫截面圖(b)SEM和(c)連接界面的TEM圖像。(d)跨EDS鍵接界面的元件分析（線掃描的分辨率為0.14nm）

圖2顯示了粘合機(jī)構(gòu)的示意圖。眾所周知，SPM可以去除表面上的有機(jī)污染物，并產(chǎn)生含有懸掛鍵的新表面。2(a)：接著是室溫下的RCA清洗過程，少量的氨基(–NH2)可以被這些懸空鍵吸附。2(b)：經(jīng)過SPM → RCA清洗后，硅和石英玻璃表面都非常親水(在我們的親水性實(shí)驗中接觸角< 5°)。表面硅烷醇基(Si–OH)和吸附的水分子之間的氫鍵網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致預(yù)鍵合后的弱鍵合強(qiáng)度。2(c)：在之前的一項研究中，硅–NH2基團(tuán)的存在可能導(dǎo)致界面發(fā)生反應(yīng) 。因此，它有助于在200℃的低溫退火期間增強(qiáng)結(jié)合強(qiáng)度。

圖2.(彩色在線)鍵合機(jī)制示意圖由四個步驟組成:用SPM (a)清洗Si表面，然后用RCA溶液(b)清洗，然后在室溫(C)和200°C退火后(d)鍵合Si和石英玻璃晶片。

值得一提的是，我們研究中使用的RCA清洗是在室溫下進(jìn)行的(∨25°C)。清潔效果似乎不如在75–85℃下使用標(biāo)準(zhǔn)的RCA溶液。然而，室溫工藝可能會保留更多的–NH2基團(tuán)，這些基團(tuán)終止于晶圓表面，因為沒有熱蒸發(fā)。

結(jié)論

綜上所述，我們表明兩步SPM → RCA清洗可以有效提高Si =石英晶片對的低溫結(jié)合強(qiáng)度。在200℃后退火后，獲得沒有缺陷或微裂紋的強(qiáng)結(jié)合界面。終止于清潔表面上的氨基可能有助于退火過程中結(jié)合強(qiáng)度的提高。這種高性價比的鍵合工藝在硅基和玻璃基異質(zhì)集成方面具有巨大的潛力，而不需要真空系統(tǒng)。

審核編輯：符乾江