衬底硅片质量对SDB工艺的影响研究

张贺强

(中国电子科技集团公司第四十六研究所 天津300220)

衬底硅片质量对SDB工艺的影响研究

张贺强

(中国电子科技集团公司第四十六研究所 天津300220)

硅-硅直接键合技术广泛应用于SOI、MEMS和电力电子器件工艺中，衬底抛光片的质量对键合质量及器件性能起着至关重要的影响。衬底抛光片的质量包含几何尺寸精度及表面状态质量，会影响键合过程中的界面应力，或造成键合界面空洞的产生，从而影响键合质量。

硅片 抛光片 硅硅键合 键合质量

0 引 言

SDB(Silicon-silicon Direct Bonding)——硅-硅直接键合是将两片表面经清洗、活化的硅抛光片在室温下直接贴合，经高温处理，使界面发生物理化学反应，增加键合强度而形成整体。[1]这种键合结构与晶片的晶向、晶格常数、结晶状态、掺杂类型、掺杂浓度等无关，因此可任意选择硅片参数，且界面清晰陡峭，在一定程度上可以替代扩散、外延技术，用以制造超大规模集成电路和大功率器件的衬底。[2-5]

硅-硅键合界面没有金属或有机层，完全依靠硅片之间的范德华力、分子力甚至原子力使两片晶片相互吸附，因此，该工艺不仅与键合参数有关，[6-9]还在很大程度上依赖于衬底硅片的质量。本文重点研究了衬底硅片的几何尺寸参数与表面状态质量对键合质量的影响，并提出了硅-硅直接键合对硅片质量的要求。

1 实验设计

样品采用直径101.6,mm、N型硅单面抛光片，抛光片厚度 220～450,µm，Warp 8.5～35.5,µm，LTIR 0.8～1.5,µm(15,mm×15,mm)，硅片用 H2SO4/H2O2溶液活化，活化后用电阻率大于 18,MΩ的去离子水冲洗，离心甩干后，利用光散射表面分析仪测试衬底表面颗粒度，利用光干涉平整度测试仪测试晶片的几何参数。

键合过程分两步[10]：首先将经过活化处理的两个抛光片在室温下贴合在一起。两晶片就会通过表面吸附的分子膜建立起氢键链接，这一过程被称为预键合。然后对预键合片进行 500,℃高温退火处理，使界面原子排列发生重组，形成牢固的键合链接。键合后测试其几何参数，并利用扫描声学显微镜测试键合质量，利用电子试验机对键合片进行拉伸强度测试。

2 结果和讨论

2.1 衬底硅片翘曲度对键合的影响

硅抛光片的表面并不是理想的镜面，总会有一定的微观起伏，进而对键合过程产生一定的影响。表 1给出了不同翘曲度硅片键合后的拉伸强度，从中可以看出，衬底硅片的原始翘曲度越大，键合强度越小，即翘曲度较大的两晶片很难实现牢固的键合。图 1给出了硅片键合的匹配过程，键合过程伴随有两硅片表面相互匹配而引起的弹性形变，硅片翘曲度越大，这种弹性形变越明显，由此产生的界面应力越大，键合区域不稳固，因此导致了键合强度的降低。

研究中还发现，翘曲度对键合质量的影响还与硅片的厚度有关。硅片厚度越大时，键合质量明显受制于翘曲度的大小，当硅片厚度低于 300,µm 时，硅片的键合强度将不再强烈依赖于翘曲度，而更多地与键合参数有关。

表1 不同翘曲度硅片键合后的拉伸强度Tab.1 Tensile strengths of bonded silicon wafers with different warps

图1 键合匹配过程Fig.1 Bonding process

2.2 衬底硅片总厚度变化对键合的影响

由于键合后，硅片整体表面会发生因吸附作用而造成的表面形变，因此，测试键合片的局部平整度是表征键合效果的一种良好方式。图 2给出了两组键合片的局部平整度测试结果，从中可以发现，原始晶片的总厚度变化越大，键合后硅片的局部平整度越差，即两总厚度变化较大的晶片键合时，晶片需要非常大的变形才能实现成功键合。

图2 两组键合片的局部平整度测试结果Fig.2 SFQDs of two bonding wafers

付兴华[11]等人将表面起伏用正弦波形象描述，建立了键合应力和孔洞的简化拓扑，并将总厚度变化对键合质量的影响归结为界面孔洞。本文研究中还发现，键合后硅片的表面形貌与原始硅片的平整度状态也有一定的对应关系。

2.3 衬底硅片表面颗粒度对键合的影响

图 3为衬底硅片表面颗粒度的测试情况和键合后硅片界面扫描超声显微镜的测试情况，结果显示，表面颗粒度是造成键合空洞的重要因素。由于表面颗粒不能与硅片键合，会在其周围引起硅片的弹性形变，从而形成空洞，大大降低了键合强度。虽然键合前扫描的颗粒位置不能与键合后的空洞位置一一对应，但仍能看出颗粒群与空洞群的密切联系。因此，衬底硅片原始表面为亲水面时，可获得较少颗粒的表面，通常可得到较好的键合效果。

图3 衬底硅片表面颗粒度与键合后扫描超声显微镜的测试Fig.3 Comparison of both surface particle levels of a silicon wafer substrate and scanning acoustic microscope test results of the substrate after bonding

3 结 论

本文分析了衬底硅片几何尺寸参数和表面状态质量对 SDB工艺的影响，研究结果表明，衬底硅片的翘曲度在一定程度上影响键合强度，翘曲度越大，键合强度越低，这可能是界面间应力决定的。衬底硅片的总厚度变化影响键合过程的表面弹性形变程度，继而对键合片的局部平整度造成影响。衬底硅片的表面颗粒度与键合空洞有较为密切的联系，亲水键合的效果往往要强于疏水键合。

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［9］ 何进，王新，陈星弼. 硅-硅直接键合的亲水处理及界面电特性[J]. 微电子学，1999(5)：355-358.

［10］ 黄庆安. 硅微机械加工技术[M]. 北京：科学出版社，1996.

［11］ 付兴华，黄庆安，陈军宁，等. 硅直接键合工艺对晶片平整度的要求[J]. 电子科学学刊，1994，16(3)：290-294.

Influence of Silicon Wafer Quality on SDB Technology

ZHANG Heqiang
(The 46th Research Institute of CETC，Tianjin 300220，China)

The Silicon-silicon Direct Bonding(SDB)technology has been widely used in SOI，MEMS and electronics. In the technique，the quality of a polished silicon wafer substrate exerts an important impact on both bonding effect and device performance. Consisting of dimensional accuracy and surface quality，the substrate qualitywill determine the bonding effect through influencing the interfacial stress or introducing interfacial cavities.

silicon wafer；polished wafer；silicon-silicon direct bonding；bonding quality

TN364

A

1006-8945(2014)11-0018-02

2014-10-16