表面清洁工艺对硅片与晶圆键合的影响

小英说半导体

引言

随着产业和消费升级，电子设备不断向小型化、智能化方向发展，对电子设备提出了更高的要求。可靠的封装技术可以有效提高器件的使用寿命。阳极键合技术是晶圆封装的有效手段，已广泛应用于电子器件行业。其优点是键合时间短、键合成本低。温度更高，键合效率更高，键合连接更可靠。

电子器件封装过程中对晶圆表面的要求很高。晶圆表面的质量直接影响键合工艺。晶圆表面的杂质颗粒和氧化层会导致键合效率和键合强度的下降。晶圆表面清洗工艺主要是去除这些杂质颗粒和氧化层，为键合准备合格的界面性能。

在阳极键合过程中，键合界面需要紧密结合。但从微观上看，存在多个点接触。当表面光滑时，接触点较多，键合效率高，这对被键合材料的表面粗糙度提出了更高的要求。本文主要研究了三种不同清洗工艺对硅片的表面处理,分析了不同清洗工艺对硅片表面粗糙度和洁净度的影响。

实验与讨论

1.粗糙度分析

图1

采用不同工艺进行表面清洁后的粗糙度 AFM 图像: (a) 脱脂；(b) 食人鱼溶液；(c) RCA 溶液清洁

图1为三种不同清洗工艺下硅片表面的AFM图像。可以看出，三种处理后硅片的平均表面粗糙度（Ra）不同，脱脂后的硅片较大（2.35 nm）， 食人鱼清洗过的硅片较小（0.65 nm），RCA 清洗的硅片介于两者之间 (0.89 nm)。

在阳极键合中，晶片表面越光滑，在强静电场的作用下界面接触点越多，从而提高键合效率。由于硅片的粗糙度是重要的键合参数，因此食人鱼和RCA加工更加合理。

2.红外分析

图2：不同清洗处理后晶圆表面的红外图像

(a)脱脂；(b)食人鱼；(c)RCA

对三种不同表面清洁晶圆的IR测试表明，食人鱼清洁晶圆的表面灰尘和牛顿条纹较少，其次是RCA清洁晶圆。脱脂后的晶圆上有大量灰尘和颗粒，会影响键合反应，导致键合效率低（图2）。从红外分析可以看出，食人鱼和RCA处理工艺有利于提高键合效率。

3.阳极键合电压分析

通过对表面粗糙度和清洁度的研究可以发现，晶圆经过食人鱼和RCA清洗后，键合效率更高。当键合过程开始时，键合电流很快达到峰值，然后随着键合过程逐渐减小，键合电流达到稳定值。键合时，在强静电场的作用下，键合界面产生强大的吸引力。随着时间的推移，产生的化学反应完成，离子迁移结束，键合电流减小并趋于稳定。

结论

随着MEMS器件的多样化和智能化，高效可靠的晶圆封装成为研究的重点，而封装前的清洗工艺对键合质量有着重要的影响。本文分析了三种不同的清洗工艺对晶圆表面的影响。

原子力显微镜观察表明，用食人鱼溶液清洗的晶圆表面粗糙度较高，而用RCA溶液清洗更有利于界面的紧密结合。红外测试表明，脱脂后的晶片表面较差，导致键合效率下降。

在阳极键合实验中发现，随着外加电压的增加，键合电流增大，而键合时间减小，键合效率提高。这种情况在用RCA溶液清洗的晶圆的粘接中更为明显。综合分析表明，在相同电压下，RCA清洗工艺更有利于阳极键合。

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