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硅基晶片的等離子體表面活化處理提高親水性

文章出處：等離子清洗機(jī)廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時(shí)間：2022-08-22
采用表面活化處理或表面清洗的方法是近幾年在晶圓鍵合及微流控器件制備過(guò)程中常用的方法。濕法化學(xué)處理過(guò)程的表面清洗過(guò)程繁復(fù)，還會(huì)對(duì)有源半導(dǎo)體器件及基板表面布線圖案等產(chǎn)生妨礙或損傷，難以在器件制備過(guò)程中推廣使用。紫外光表面活化處理過(guò)程中，紫外光的輻照能夠有效去除待鍵合材料表面的污物，并能打開(kāi)材料表面的化學(xué)鍵，使能夠促進(jìn)鍵合的懸掛鍵增多。然而紫外光處理過(guò)程中產(chǎn)生的O3外排會(huì)對(duì)環(huán)境及生物產(chǎn)生不良影響，同時(shí)紫外光活化設(shè)備輻照面積有限，難以對(duì)材料表面產(chǎn)生均勻的處理。在晶圓鍵合中常用電容型射頻等離子體對(duì)晶圓表面進(jìn)行處理。電極間高頻電場(chǎng)電離氣體（如O2、N2、H2、Ar），在真空腔中產(chǎn)生均勻等離子體，同時(shí)帶電粒子被偏置電壓進(jìn)行加速對(duì)表面轟擊，有效去除晶圓表面污染物和氧化層，實(shí)現(xiàn)晶圓表面的活化。

等離子體表面活化實(shí)現(xiàn)晶圓直接鍵合是親水晶圓鍵合的一種典型方法，在親水性晶圓直接鍵合中，具有良好潤(rùn)濕性的光滑表面（粗糙度<0.5nm）之間能夠自發(fā)的通過(guò)硅醇(Si-OH)之間的脫水反應(yīng)而實(shí)現(xiàn)鍵合。

等離子處理對(duì)硅晶片表面潤(rùn)濕性的影響


對(duì)水平放置的硅晶片進(jìn)行不同時(shí)長(zhǎng)的氧等離子體表面處理，得到如圖1所示為表面處理時(shí)間分別為0s、5s、10s、15s、20s的硅表面水液滴潤(rùn)濕情況。由圖1可知，未經(jīng)處理的硅晶片表面液滴保持半徑較小的球冠狀，隨著氧等離子體表面處理時(shí)間的增加，硅晶片表面液滴越來(lái)越鋪展，當(dāng)處理時(shí)間達(dá)到20s時(shí)，液滴在硅表面完全鋪展。對(duì)各個(gè)處理時(shí)間硅表面液滴的接觸角分別進(jìn)行測(cè)量，得到如圖2所示的硅晶片表面接觸角隨處理時(shí)間變化圖像。未經(jīng)處理的硅晶片表面接觸角為71.8°，潤(rùn)濕性較差，而當(dāng)處理時(shí)間增加至20s時(shí)，硅晶片表面接觸角降至0°，繼續(xù)增加表面處理時(shí)間至25s、30s后，接觸角并未發(fā)生改變，穩(wěn)定在0°。
等離子表面處理不同時(shí)長(zhǎng)硅晶片表面液滴鋪展圖
圖一 等離子表面處理不同時(shí)長(zhǎng)硅晶片表面液滴鋪展圖
硅晶片表面接觸角隨等離子表面處理時(shí)長(zhǎng)變化曲線
圖二 硅晶片表面接觸角隨等離子表面處理時(shí)長(zhǎng)變化曲線

未處理硅晶片表面潤(rùn)濕性差、液滴接觸角大的原因是處理前的硅晶片表面存在碳?xì)浠衔?、碳氧化物等污染物。隨著表面處理過(guò)程的進(jìn)行，表面的污染物通過(guò)高能粒子轟擊解吸附、被氧化生成揮發(fā)性氣體從表面逸出等方式得到清洗。與此同時(shí)，氧等離子體直接作用在表面部分區(qū)域，產(chǎn)生更多如Si-、Si-O-懸掛鍵，提高表面能與表面活性，能夠與周?chē)h(huán)境中的游離-OH生成部分Si-OH，使得表面的潤(rùn)濕性提高，接觸角減小。當(dāng)表面處理時(shí)間不斷增長(zhǎng)時(shí)，更多的表面污染物被清洗，更多的潔凈表面被暴露與等離子體直接作用，產(chǎn)生Si-OH的數(shù)量不斷增加，表面潤(rùn)濕性進(jìn)一步提高，潤(rùn)濕角持續(xù)下降。直到表面處理時(shí)間超過(guò)20s后，提高表面潤(rùn)濕性的親水基團(tuán)Si-OH增至能夠使液滴完全在硅晶片表面鋪展的程度，潤(rùn)濕角為0°。

等離子處理對(duì)石英晶片表面潤(rùn)濕性的影響


水平放置石英晶片進(jìn)行不同時(shí)長(zhǎng)的氧等離子體表面處理后觀察其表面液滴鋪展?fàn)顩r得到圖3，其中表面處理時(shí)間分別為0s、5s、10s、15s、20s。相較于未處理的硅晶片，未經(jīng)處理的石英晶片表面球冠狀液滴的直徑較小，隨著氧等離子體表面處理時(shí)間的增加，石英晶片表面液滴持續(xù)鋪展，當(dāng)處理時(shí)間達(dá)到20s時(shí)，液滴在石英表面完全鋪展。同理，測(cè)量不同時(shí)間石英晶片表面的接觸角，得到如圖4所示的石英晶片表面接觸角隨處理時(shí)間變化圖像。對(duì)比未經(jīng)處理的硅晶片，未經(jīng)處理的石英晶片潤(rùn)濕性較好，表面接觸角為43.2°，大大低于未經(jīng)處理硅表面的接觸角。當(dāng)處理時(shí)間增加至20s時(shí)，硅、石英晶片表面接觸角降至0°，同樣繼續(xù)增加表面處理時(shí)間至25s、30s后，接觸角也并未發(fā)生改變，穩(wěn)定在0°。
等離子表面處理不同時(shí)長(zhǎng)石英晶片表面液滴鋪展圖
圖三 等離子表面處理不同時(shí)長(zhǎng)石英晶片表面液滴鋪展圖
石英晶片表面接觸角隨等離子表面處理時(shí)長(zhǎng)變化曲線
圖四 石英晶片表面接觸角隨等離子表面處理時(shí)長(zhǎng)變化曲線

氧等離子體在石英表面的作用過(guò)程同在硅表面作用過(guò)程一致，隨著表面處理時(shí)間的增加，表面污染物被逐步清洗，更多清潔表面得到暴露與高能粒子作用產(chǎn)生活性更高的懸掛鍵來(lái)結(jié)合親水基團(tuán)。
此外，對(duì)表面本征親水的硅和石英晶片，等離子體作用后表面產(chǎn)生高度均一的納米起伏，使得表面親水性增加，從而使得接觸角減小。在某個(gè)時(shí)間長(zhǎng)度的表面處理過(guò)后，在晶片適宜表面粗糙度和親水性共同作用下，得到最佳鍵合效果的鍵合界面。

未處理的石英表面除Si-O-Si網(wǎng)絡(luò)外，還存在由于制造加工過(guò)程中產(chǎn)生的斷鍵。此外，未處理的晶片表面均含有一定的碳?xì)湮廴疚铮⒈砻孢€存在含氮污染物。經(jīng)氧等離子體表面處理后，硅及石英晶片表面晶片均產(chǎn)生了具有更高活性的Si-O，能夠與更多親和基團(tuán)成鍵，使得表面Si-OH密度增加，表面親水性增加。經(jīng)過(guò)氧等離子體表面處理后，硅及石英晶片表面潤(rùn)濕性均隨處理時(shí)間的增加而提高，使得表面液滴接觸角不斷下降。等離子體表面活化鍵合有著便捷有效、經(jīng)濟(jì)效益高、能量損耗低及環(huán)境友好等突出的優(yōu)勢(shì)
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