一種表面活化鍵合方法及設備

本發明涉及芯片制造，具體而言，涉及一種表面活化鍵合方法及設備。

背景技術：

1、晶圓直接鍵合技術(簡稱晶圓鍵合)能夠克服異質材料間晶格常數不匹配，通過異質材料接觸面之間的分子力或化學鍵結合，能夠在低溫甚至室溫下實現異質材料鍵合，是異質集成的重要技術。

2、目前，主流的晶圓鍵合方法包括表面活化鍵合(surface?activated?bonding，簡稱sab)、等離子體活化鍵合(plasma?activated?bonding，簡稱pab)和陽極鍵合(anodicbonding，簡稱ab)。等離子體活化鍵合(pab)和陽極鍵合(ab)均需要進行低溫退火強化，鍵合成品易出現異質材料界面熱應力，進而可能發生晶圓翹曲、鍵合分離和晶圓碎裂等風險。相比于等離子體活化鍵合(pab)和陽極鍵合(ab)，表面活化鍵合(sab)能夠實現室溫鍵合，能夠避免晶圓翹曲、鍵合分離和晶圓碎裂等情況的發生，適用于實現高質量晶圓級異質鍵合。然而，采用表面活化鍵合(sab)對晶圓表面粗糙度要求較高(ra＜1.0nm)，且需要在高真空環境(真空度<10-6pa)完成活化及鍵合，因而，對于表面粗糙度較高的樣品(如多晶金剛石)，采用表面活化鍵合(sab)方法進行室溫鍵合獲得的產品的鍵合強度較低。

技術實現思路

1、本發明解決的問題是：對于表面粗糙度較高的樣品，采用表面活化鍵合(sab)方法進行室溫鍵合獲得的產品的鍵合強度較低。

2、為解決上述問題，本發明提供一種表面活化鍵合方法，包括：

3、步驟s1、將第一樣品和第二樣品分別進行表面活化處理，得到第一待鍵合樣品和第二待鍵合樣品；其中，所述表面活化處理包括原子束轟擊和等離子體轟擊中的一種；

4、步驟s2、將所述第一待鍵合樣品和第二待鍵合樣品對準貼合，得到待鍵合樣品對；

5、步驟s3、在預設真空度下，對待鍵合樣品對施加預設壓力，然后在所述第一待鍵合樣品和第二待鍵合樣品之間同時施加偏置電壓和脈沖電壓進行室溫鍵合，得到鍵合樣品對；其中，所述預設真空度不高于10-2pa，所述偏置電壓與所述脈沖電壓的方向相同。

6、與現有技術相比，本發明提供的表面活化鍵合方法對表面粗糙度較高的樣品進行室溫鍵合時，由于在待鍵合樣品之間施加了偏置電壓，能夠確保待鍵合樣品的界面處存在吸附電場，能夠促進界面原子遷移和相互擴散，從而能夠有效提高產品的鍵合強度；由于在待鍵合樣品之間同時施加了脈沖電壓，因而該表面活化鍵合方法，也可以對低電導率的樣品進行室溫鍵合。另外，本發明中，在進行室溫鍵合前，通過對樣品進行表面活化處理，能夠除去樣品表面的氧化膜及污染物，從而降低樣品的表面粗糙度，樣品表面粗糙度的降低，有利于降低待鍵合樣品之間的界面間距，從而有利于提高界面處的吸附電場，進而有利于提高產品的鍵合強度；而且，本發明中，在進行室溫鍵合前，通過對樣品進行表面活化處理，還能將樣品內部的原子暴露出來，從而增加樣品表面懸掛鍵的數量，同時也使得樣品表面的晶格被破壞而產生表面缺陷，表面缺陷能夠有效捕獲電荷形成空間極化電荷，實現表面極化電荷保持及密度提升，從而提升界面處的吸附電場，進而有利于提高產品的鍵合強度。經實驗發現，對于表面粗糙度較高的樣品，采用本發明提供的表面活化鍵合方法，可以在較低的真空條件下制得的鍵合強度較高的產品。因而，采用本發明的方法，可實現多晶金剛石與氧化鎵的高質量鍵合。

7、可選地，所述步驟s3中，所述脈沖電壓的波形包括正弦波、矩形波、鋸齒波、三角波和方波中的一種。

8、可選地，所述步驟s3中，所述偏置電壓的大小為0.1-15kv，所述脈沖電壓的振幅為0.05-20kv，頻率為0.1-100khz，所述脈沖電壓的大小為u，u的極小值為0.05-10kv。

9、可選地，所述步驟s3中，所述室溫鍵合的時間為1-60min，所述預設壓力為0-3mpa。

10、可選地，所述步驟s1中，所述原子束轟擊在10-6-10-2pa的真空度下進行，使用的原子束為ar原子束，所述原子束轟擊的電壓為40-5000v，時間為10-300s。

11、可選地，所述步驟s1中，所述步驟s1中，所述等離子體轟擊在10-6-10-2pa的真空度下進行，使用的等離子體為ar等離子體或ar/h2等離子體，所述等離子體轟擊的電壓為40-5000v，時間為10-300s。

12、可選地，所述第一樣品為氮化鎵，所述第二樣品為多晶金剛石。

13、本發明還提供了一種表面活化鍵合設備，用于實現如上所述的表面活化鍵合方法，包括真空腔、等離子體源或快原子轟擊源、上樣品臺、下樣品臺、驅動裝置和脈沖偏壓輔助電源；所述等離子體源或所述快原子轟擊源、所述上樣品臺和所述下樣品臺均設置于所述真空腔內，所述上樣品臺和所述下樣品臺相對設置，所述驅動裝置用于驅動所述上樣品臺和所述下樣品臺中的至少一個在豎直方向運動；所述脈沖偏壓輔助電源用于施加偏置電壓和脈沖電壓。

14、與現有技術相比，本發明提供的設備可用于表面粗糙度較高的樣品，經實驗發現，對于表面粗糙度較高的樣品，采用本發明提供的設備和方法，可以在較低的真空條件下制得的鍵合強度較高的產品。

15、可選地，所述上樣品臺和所述下樣品臺均由電介質制成，所述上樣品臺的上部設有第一靜電卡盤電極，所述上樣品臺的下部設有第二靜電卡盤電極。

16、可選地，所述上樣品臺的下端面開設有第一凹槽，所述第一凹槽中填充有第一施壓電極，所述下樣品臺的上端面開設有第二凹槽，所述第二凹槽中填充有第二施壓電極，所述第一施壓電極和所述第二施壓電極分別與所述脈沖偏壓輔助電源電連接。

技術特征：

1.一種表面活化鍵合方法，其特征在于，包括：

2.根據權利要求1所述的表面活化鍵合方法，其特征在于，所述步驟s3中，所述脈沖電壓的波形包括正弦波、矩形波、鋸齒波、三角波和方波中的一種。

3.根據權利要求1所述的表面活化鍵合方法，其特征在于，所述步驟s3中，所述偏置電壓的大小為0.1-15kv，所述脈沖電壓的振幅為0.05-20kv，頻率為0.1-100khz，所述脈沖電壓的大小為u，u的極小值為0.05-10kv。

4.根據權利要求3所述的表面活化鍵合方法，其特征在于，所述步驟s3中，所述室溫鍵合的時間為1-60min，所述預設壓力為0-3mpa。

5.根據權利要求1所述的表面活化鍵合方法，其特征在于，所述步驟s1中，所述原子束轟擊在10-6-10-2pa的真空度下進行，使用的原子束為ar原子束，所述原子束轟擊的電壓為40-5000v，時間為10-300s。

6.根據權利要求1所述的表面活化鍵合方法，其特征在于，所述步驟s1中，所述步驟s1中，所述等離子體轟擊在10-6-10-2pa的真空度下進行，使用的等離子體為ar等離子體或ar/h2等離子體，所述等離子體轟擊的電壓為40-5000v，時間為10-300s。

7.根據權利要求1所述的表面活化鍵合方法，其特征在于，所述第一樣品為氮化鎵，所述第二樣品為多晶金剛石。

8.一種表面活化鍵合設備，其特征在于，用于實現如權利要求1-7任一項所述的表面活化鍵合方法，包括真空腔(3)、等離子體源或快原子轟擊源、上樣品臺(4)、下樣品臺(5)、驅動裝置和脈沖偏壓輔助電源(6)；所述等離子體源或所述快原子轟擊源、所述上樣品臺(4)和所述下樣品臺(5)均設置于所述真空腔(3)內，所述上樣品臺(4)和所述下樣品臺(5)相對設置，所述驅動裝置用于驅動所述上樣品臺(4)和所述下樣品臺(5)中的至少一個在豎直方向運動；所述脈沖偏壓輔助電源(6)用于施加偏置電壓和脈沖電壓。

9.根據權利要求8所述的表面活化鍵合設備，其特征在于，所述上樣品臺(4)和所述下樣品臺(5)均由電介質制成，所述上樣品臺(4)的上部設有第一靜電卡盤電極(7)，所述上樣品臺(4)的下部設有第二靜電卡盤電極(8)。

10.根據權利要求9所述的表面活化鍵合設備，其特征在于，所述上樣品臺(4)的下端面開設有第一凹槽，所述第一凹槽中填充有第一施壓電極(9)，所述下樣品臺(5)的上端面開設有第二凹槽，所述第二凹槽中填充有第二施壓電極(10)，所述第一施壓電極(9)和所述第二施壓電極(10)分別與所述脈沖偏壓輔助電源(6)電連接。

技術總結
本發明提供了一種表面活化鍵合方法及設備，涉及芯片制造技術領域；該表面活化鍵合方法包括：將第一樣品和第二樣品分別進行表面活化處理，得到第一待鍵合樣品和第二待鍵合樣品；將所述第一待鍵合樣品和第二待鍵合樣品對準貼合，得到待鍵合樣品對；在預設真空度下，對待鍵合樣品對施加預設壓力，然后在所述第一待鍵合樣品和第二待鍵合樣品之間同時施加偏置電壓和脈沖電壓進行室溫鍵合，得到鍵合樣品對。對于表面粗糙度較高的樣品，采用本發明提供的表面活化鍵合方法，可以在較低的真空條件下制得的鍵合強度較高的產品。

技術研發人員：王晨曦,劉林杰,原小慧
受保護的技術使用者：哈爾濱工業大學
技術研發日：
技術公布日：2024/10/14