CN109166793B - 一种利用先真空紫外光再氮等离子体两步活化直接键合铌酸锂和硅晶片的方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用先真空紫外光再氮等离子体两步活化直接键合铌酸锂和硅晶片的方法，属于晶圆键合技术领域。所述方法如下：将待键合的铌酸锂晶片和硅晶片置于真空紫外光光源下，在20~80%的湿度条件下活化；将真空紫外光活化后的晶片置于N2等离子体下，在10~80 Pa的压强下活化；将经两步活化后的晶片在室温下相互贴合，并将贴合后的晶片置于大气环境下存储；将存储后的晶片置于100~180°C的温度条件下保温，即完成铌酸锂和硅的直接键合。本发明的优点是：无需化学试剂对待键合晶片表面进行清洗，键合工艺简单，键合流程少；在低温下即可实现二者之间稳定可靠的高强度的直接键合，避免因二者之间巨大的热膨胀系数差异而使得键合界面开裂以及键合材料断裂现象的发生。
Description
技术领域
本发明属于晶圆键合技术领域，具体涉及一种利用先真空紫外光再氮等离子体两步活化直接键合铌酸锂和硅晶片的方法。
背景技术
随着通讯技术的不断发展，人们对于信息的获取、传输和处理的速度要求也是越来越快。因此，也就促使着通讯技术由电子通讯向光通讯开始不断地发展。而在光通讯系统中，承担着信息传递的器件被称为光波导器件，其通常由衬底层、介质层和覆盖层（通常为空气）所组成。介质层的折射率越大，其对光波的束缚就越大，相应地光波导器件的性能也会越优异。铌酸锂是一种集压电、非线性光学和光折变等性能于一体的铁电材料。由于其全波段均具有良好的透光性能，并且折射率较大（n=2.20），因此，被认为是光波导介质层重要的候选材料之一。硅由于具有加工工艺成熟、成本低以及机械强度高等特点，是电子集成电路和光电集成系统的主流衬底材料。所以，铌酸锂和硅的键合对于光波导器件性能的提升以及光电集成系统的发展具有重要的研究意义。
然而，目前铌酸锂和硅的键合主要采用Au、Ag或者有机固化胶等材料作为中间层来实现两者之间的键合。当Au层或Ag层作为中间层时，由于其材料昂贵，会使得其键合成本增加。当采用有机固化胶作为中间层时，由于其老化问题严重会使得器件的可靠性大大降低。此外，由于中间层的存在，不仅键合工艺流程复杂，并且在一定程度上严重地限制了器件小型化的发展。因此，铌酸锂和硅之间的无中间层直接键合是十分必要的。但是，由于铌酸锂和硅之间的热膨胀系数（铌酸锂的热膨胀系数是7.5~14.4×10-6/K，硅的热膨胀系数是2.5×10-6/K）和晶格常数（铌酸锂的a轴的晶格常数是0.5147 nm，c轴的晶格常数是1.3856nm，硅的晶格常数是0.5431 nm）差异巨大，并且铌酸锂的晶体结构是极其稳定的三方晶系。因此，现有的铌酸锂与硅晶片之间的直接键合方法（例如：等离子体活化法直接键合、湿法活化直接键合等）无法实现二者之间高强度的直接连接（< 2 MPa），键合后的样品通常无法承受后续机械加工带来的机械应力和热应力。综上所述，为了更好地推动光波导器件、光电集成系统以及器件小型化的发展，一种能够实现铌酸锂和硅晶片高强度直接键合的方法亟待开发。
发明内容
本发明的目的是为了解决目前无法对铌酸锂和硅晶片实现直接键合的问题，提供一种先真空紫外光再氮等离子体两步活化直接键合铌酸锂和硅晶片的方法，该方法能够实现铌酸锂和硅晶片之间的高强度稳定连接。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种利用先真空紫外光再氮等离子体两步活化直接键合铌酸锂和硅晶片的方法，所述方法具体步骤如下：
步骤一：将待键合的铌酸锂晶片和硅晶片置于真空紫外光光源下1~5 mm距离处，在20~80%的湿度条件下活化；
步骤二：将真空紫外光活化后的铌酸锂晶片和硅晶片置于N2等离子体下，在10~80Pa的压强下，以100~300 W的功率活化；
步骤三：将经两步活化后的铌酸锂晶片和硅晶片在室温下相互贴合，并将贴合后的晶片置于大气环境下存储；
步骤四：将存储后的晶片置于100~180 °C的温度条件下保温5~36 h，即完成铌酸锂和硅的直接键合。
本发明相对于现有技术的有益效果是：
（1）无需化学试剂对待键合晶片表面进行清洗，键合工艺简单，键合流程少；
（2）相比于其他直接键合铌酸锂和硅的方法（例如：单一的O2或N2等离子体活化直接键合法），本发明在低温下即可实现二者之间稳定可靠的高强度的直接键合，可有效地避免因二者之间巨大的热膨胀系数差异而使得键合界面开裂以及键合材料断裂现象的发生。
附图说明
图1为本发明的流程图；
图2为本发明方法得到的铌酸锂和硅界面的扫描电子显微镜图像，其中，1为铌酸锂晶片，2为铌酸锂和硅的直接键合界面，3为硅晶片。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修正或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神范围，均应涵盖在本发明的保护范围之中。
本发明的具体原理是：真空紫外光具有极高的能量，其能够破坏铌酸锂和硅晶片表面稳定的结构，并使得两者的表面形成具有较高活性以及一定厚度的非晶层。随后，在经N2等离子体活化后，使得经真空紫外光活化后的铌酸锂和硅晶片表面产生与氮相关的官能团。将活化后的晶片表面贴合后，所形成的预键合晶片，其界面处新生成的与氮相关的共价键会增加其预键合强度。又由于真空紫外光破坏了界面处铌酸锂和硅晶片的晶体结构，因此，即使预键合晶片的处理温度很低，在增加了的预键合强度下，能够有效地抑制键合样品开裂并保证界面处原子间的充分扩散。从而形成稳定的扩散连接层，实现两者间的高强度直接键合。
具体实施方式一：本实施方式记载的是一种利用先真空紫外光再氮等离子体两步活化直接键合铌酸锂和硅晶片的方法，所述方法具体步骤如下：
步骤一：将待键合的铌酸锂晶片和硅晶片置于真空紫外光光源下1~5 mm距离处，在20~80%的湿度条件下活化；
步骤二：将真空紫外光活化后的铌酸锂晶片和硅晶片置于N2等离子体下，在10~80Pa的压强下，以100~300 W的功率活化；
步骤三：将经两步活化后的铌酸锂晶片和硅晶片在室温下相互贴合，并将贴合后的晶片置于大气环境下存储；
步骤四：将存储后的晶片置于100~180 °C的温度条件下保温5~36 h，以增加键合强度，即完成铌酸锂和硅的高效直接键合。
具体实施方式二：具体实施方式一所述的一种利用先真空紫外光再氮等离子体两步活化直接键合铌酸锂和硅晶片的方法，步骤一中，所述的真空紫外光的波长为10~190nm。
具体实施方式三：具体实施方式一所述的一种利用先真空紫外光再氮等离子体两步活化直接键合铌酸锂和硅晶片的方法，步骤一中，所述的活化时间为5~30 min。
具体实施方式四：具体实施方式一所述的一种利用先真空紫外光再氮等离子体两步活化直接键合铌酸锂和硅晶片的方法，步骤二中，所述的活化时间为5~250 s。
具体实施方式五：具体实施方式一所述的一种利用先真空紫外光再氮等离子体两步活化直接键合铌酸锂和硅晶片的方法，步骤三中，所述的存储时间为12~72 h。
具体实施方式六：具体实施方式一所述的一种利用先真空紫外光再氮等离子体两步活化直接键合铌酸锂和硅晶片的方法，步骤四中，所述的升温速率为0.5~5°C/min。
实施例1：
一种先真空紫外光再氮等离子体两步活化直接键合铌酸锂和硅晶片的方法，结合图1~2说明本实施例，具体实施步骤如下：
（1）对待键合的晶片采用真空紫外光活化：
将待键合的铌酸锂和硅晶片表面置于波长为172 nm的真空紫外光光源2 mm处，在湿度为30%的环境下，活化10 min。
（2）对真空紫外光活化的晶片采用N2等离子体活化：
随后，将经真空紫外光活化的铌酸锂和硅晶片采用N2等离子体活化。活化过程中的压强为40 Pa，功率为250 W，活化时间为30 s。
（3）活化后的晶片相互贴合：
将活化后的铌酸锂和硅晶片表面相互贴合，并采用手动局部施压的方法驱赶界面处的气泡，以使得二者之间形成预键合。并将预键合的晶片置于大气环境下存储24 h。
（4）将贴合后的晶片置于一定温度下一定时间以进一步增加键合强度：
将贴后且存储后的预键合晶片置于150 °C的温度下，保温处理12 h，以进一步增加键合强度。自然冷却后，完成铌酸锂和硅的直接键合。
Claims (6)
1.一种利用先真空紫外光再氮等离子体两步活化直接键合铌酸锂和硅晶片的方法，其特征在于：所述方法具体步骤如下：
步骤一：将待键合的铌酸锂晶片和硅晶片置于真空紫外光光源下1~5 mm距离处，在20~80%的湿度条件下活化；
步骤二：将真空紫外光活化后的铌酸锂晶片和硅晶片置于N2等离子体下，在10~80 Pa的压强下，以100~300 W的功率活化；
步骤三：将经两步活化后的铌酸锂晶片和硅晶片在室温下相互贴合，并将贴合后的晶片置于大气环境下存储；
步骤四：将存储后的晶片置于100~180 °C的温度条件下保温5~36 h，即完成铌酸锂和硅的直接键合。
2.根据权利要求1所述的一种利用先真空紫外光再氮等离子体两步活化直接键合铌酸锂和硅晶片的方法，其特征在于：步骤一中，所述的真空紫外光的波长为10~190 nm。
3.根据权利要求1所述的一种利用先真空紫外光再氮等离子体两步活化直接键合铌酸锂和硅晶片的方法，其特征在于：步骤一中，所述的活化时间为5~30 min。
4.根据权利要求1所述的一种利用先真空紫外光再氮等离子体两步活化直接键合铌酸锂和硅晶片的方法，其特征在于：步骤二中，所述的活化时间为5~250 s。
5.根据权利要求1所述的一种利用先真空紫外光再氮等离子体两步活化直接键合铌酸锂和硅晶片的方法，其特征在于：步骤三中，所述的存储时间为12~72 h。
6.根据权利要求1所述的一种利用先真空紫外光再氮等离子体两步活化直接键合铌酸锂和硅晶片的方法，其特征在于：步骤四中，升温速率为0.5~5°C/min。
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