通过两步湿化学表面清洗来结合硅和石英玻璃晶片的工艺

摘要

本文展示了一种通过两步湿化学表面清洗来结合硅和石英玻璃晶片的简易结合工艺。在200℃后退火后，获得没有缺陷或微裂纹的强结合界面。在详细的表面和结合界面表征的基础上，对结合机理进行了探索和讨论。终止于清洁表面上的氨基可能有助于退火过程中结合强度的提高。这种具有成本效益的键合工艺对于硅基和玻璃基异质集成具有巨大的潜力，而不需要真空系统。

实验结果和讨论

图1(a)。在裂纹打开方法中，剃刀刀片几乎不能插入到结合的晶片之间。由于后退火后的大的结合强度(> 2.0J=m2)，在结合的晶片的边缘上出现断裂。这种结合强度可以承受随后苛刻的机械研磨或抛光过程。

图1.（在线彩色）(a)由SPM→RCA清洗和切割制备的75mm结合Si=石英晶片对由于200°C退火后粘合强度大的光学图像。横截面图(b)SEM和(c)连接界面的TEM图像。(d)跨EDS键接界面的元件分析（线扫描的分辨率为0.14nm）

图2显示了粘合机构的示意图。众所周知，SPM可以去除表面上的有机污染物，并产生含有悬挂键的新表面。2(a)：接着是室温下的RCA清洗过程，少量的氨基(–NH2)可以被这些悬空键吸附。2(b)：经过SPM → RCA清洗后，硅和石英玻璃表面都非常亲水(在我们的亲水性实验中接触角< 5°)。表面硅烷醇基(Si–OH)和吸附的水分子之间的氢键网络导致预键合后的弱键合强度。2(c)：在之前的一项研究中，硅–NH2基团的存在可能导致界面发生反应 。因此，它有助于在200℃的低温退火期间增强结合强度。

图2.(彩色在线)键合机制示意图由四个步骤组成:用SPM (a)清洗Si表面，然后用RCA溶液(b)清洗，然后在室温(C)和200°C退火后(d)键合Si和石英玻璃晶片。

值得一提的是，我们研究中使用的RCA清洗是在室温下进行的(∨25°C)。清洁效果似乎不如在75–85℃下使用标准的RCA溶液。然而，室温工艺可能会保留更多的–NH2基团，这些基团终止于晶圆表面，因为没有热蒸发。

结论

综上所述，我们表明两步SPM → RCA清洗可以有效提高Si =石英晶片对的低温结合强度。在200℃后退火后，获得没有缺陷或微裂纹的强结合界面。终止于清洁表面上的氨基可能有助于退火过程中结合强度的提高。这种高性价比的键合工艺在硅基和玻璃基异质集成方面具有巨大的潜力，而不需要真空系统。

审核编辑：符乾江