矽/矽鍵合質量測試儀的製作方法

2023-05-06 21:37:56 3

專利名稱：矽/矽鍵合質量測試儀的製作方法
技術領域：
本實用新型是矽/矽鍵合質量測試儀。矽/矽直接鍵合技術可被廣泛地應用於SOI(在絕緣層上的矽)材料的製造、不同材料之間的連接及體矽微機械傳感器與執行器的製造。矽片鍵合界面空洞的檢測是其中的關鍵技術之一，一般採用紅外的方法來測試鍵合面積大小。然而現有儀器一般採用只對紅外線敏感的紅外電荷耦合器件(CCD)攝像儀作為攝像器件，使得成本很高。本實用新型採用普通電荷耦合器件(CCD)攝像儀，普通光源，配以可變焦鏡頭，觀測矽/矽直接鍵合樣品，圖像清晰實用，成本很低。
矽/矽鍵合技術是近幾年來為了適應於新型微機械器件的發展，新型SOI材料的研究以及晶片的三維集成而出現的一種新型技術。矽/矽鍵合機制為一般兩矽片通過高溫處理可直接鍵合到一起，中間不需要任何粘結劑，也不需要外加電場，工藝簡單，這種技術稱為矽/矽直接鍵合技術，也稱為矽熔融技術。
一般的處理工藝為1、將兩拋光矽片(氧化或未氧化)先經含OH離子的溶液浸泡處理。溶液可為硫酸雙氧水的混合液、硝酸、RAC1(氨水∶雙氧水∶水＝1∶1∶5)+RCA2(鹽酸∶雙氧水∶水＝1∶1∶5)。可進行單一的一次清洗，如硫酸雙氧水的混合液在120℃下清洗20到60分鐘(也可去除各種有機和無機的沾汙，如各種碳氫化合物、各種重金屬離子、鈉鉀等有害離子的沾汙)，發煙硝酸浸泡或煮沸，或RCA1+RCA2常溫浸泡或較高溫度浸泡。也可進行多次清洗，如先用硫酸雙氧水的混合液處理，接著用發煙硝酸浸泡，再用RCA1+RCA2常溫浸泡或較高溫度浸泡。有時為了使得清洗過的矽片表面系吸附的OH-離子密度足夠的大，常常先採用O或其它氣體的等離子體處理，使得矽片表面某些矽氧鍵開裂，再用含有OH離子的溶液浸泡處理。一般採用這些清洗處理之後，矽片表面非常親水化，一般其親水角小於5度，親水角度越小，矽片就越容易鍵合。這些化學清洗的作用在於能使得矽片表面的自然氧化層表面的矽氧鍵斷裂，產生很多懸掛鍵，使得OH-離子能很容易地結合到懸掛鍵上，例如採用RCA1+RCA2清洗，主要的化學反應有經過這些化學處理過後的矽片經用清洗機甩幹後，即可進行下一步的工作。
2、在室溫下把清洗好的矽片面對面地貼合到一起，一般在兩矽片的的中間加上一定的力，此時矽片之間在條件適合的情況下，就會由於範德瓦爾斯力的作用開始鍵合，形成氫鍵，產生鍵合波，在紅外測試儀器上可以清楚地看到鍵合波由中間向外擴展。此時鍵合強度很弱，強度大小由氫鍵的鍵能決定。在紅外測試儀下，可清楚地看到鍵合與未鍵合地區域。
3、將貼合好的矽片在氧氣或氮氣環境中經數小時高溫退火，使得氫鍵發生聚化反應，生成二氧化矽，形成牢固的結合。文獻報導當退火溫度達到約150度以上，氫鍵就能發生聚化反應，生成二氧化矽。具體的化學反應為然而由於水的生成，也會產生一些小的空洞。當溫度達到400℃以上後，聚化反應基本完成。當溫度在500-800℃範圍內，聚化反應產生的水向二氧化矽內擴散的速率很低，空洞依然存在。當溫度達到800℃後，水向二氧化矽中擴散的速度變快，隨著溫度升高，擴散係數會增大。鍵合空洞中的水分子在高溫下向二氧化矽中擴散，從而產生局部真空，使得矽片發生塑性形變而使空洞消失。在1000℃以上的高溫下，二氧化矽的粘度降低，使得二氧化矽發生粘滯流動，消除了微間隙，鄰近的原子間產生共價鍵，使得鍵合完成。
人們還發現採用HF酸清洗後的矽片，雖未經去離子水清洗，但面對面貼合到一起，也能在室溫下形成鍵合，並且經高溫處理後，鍵合強度也會隨著溫度的升高而增大。由於經HF酸處理後的矽片非常疏水，故稱為疏水鍵合。但與矽/矽親水鍵合相比，帶HF酸進行鍵合處理比較困難，並且鍵合強度在500℃以下退火強度較低。
影響鍵合的主要因素首先是化學表面處理，使得矽片表面吸附的OH-離子密度足夠的大。其次是溫度的考慮，因為鍵合最終是靠加熱促使氫鍵發生聚化反應，生成二氧化矽來完成的。首先空洞的產生與溫度密切相關，將兩拋光好的矽片，在超淨環境中鍵合實驗時發現，在200-800℃範圍內，隨著溫度的升高，鍵合界面產生的孔洞數量增多，空洞的尺寸變大，而在超過900℃的鍵合過程中，空洞會消失。這種與溫度有關的空洞一般推測為由於鍵合界面發生聚化反應生成的水分子引起的，也有人認為是水被汽化而引起的，用SIMS測試分析表明，這種與溫度有關的空洞主要是由於矽表面的碳氫化合物引起的。這是因為拋光矽片都在不同程度上存在碳沾汙。此外鍵合界面的水分子氧化矽原子時，會產生氫而形成空洞。減少鍵合空洞的方法主要有鍵合矽片經1000℃以上的高溫處理數小時；或者在鍵合清洗前，將矽片在800℃以上氬氣中退火，使得矽片表面的碳氫化合物解吸。鍵合強度也與溫度密切相關，一般親水矽/矽鍵合的鍵合強度在室溫到200℃之間，鍵合強度增大很快，這是因為在較低溫度區，OH-離子因獲得熱量而具有更高的表面遷移率，使得更多的氫鍵跨越間隙，矽片被緊密地吸到一起，鍵合強度增大，在較高溫度區域，氫鍵發生聚合反應，生成二氧化矽，鍵合能更加增大，當達到200℃以後，矽片之間的矽氧鍵超過氫鍵，強度趨於飽和，在200-850℃溫度區，鍵合強度上升很少，而在溫度約大於850℃後，鍵合強度大大增大，這是因為二氧化矽發生塑性形變，固態擴散和粘滯流動，使得鍵合界面的微觀間隙逐漸消失，鍵合強度大大增大，最後趨於飽和(特別是在1100℃以上退火)。另外影響鍵合質量的主要因素還有表面平整度。拋光矽片表面並不是理想鏡面，一般存在幾個埃的起伏與表面粗糙度。矽片有較小的粗糙度，則在鍵合過程中，會由於矽片的彈性變形或高溫下的粘滯回流，使得鍵合片完全結合在一起，界面不存在空洞，要得到鍵合質量很好的矽/矽鍵合對，一般要求矽片表面的粗糙度小於5埃。影響鍵合質量的另一個重要的因素是表面塵埃，據理論計算，直徑1微米的粒子可造成約4毫米的空洞。
另外鍵合界面空洞的檢測也是一個較關鍵的技術手段。鍵合空洞的存在會使得空洞部分不能構成器件工作區，而且在製作器件的後續工序中會導致該部分兩鍵合片的分離(如用鍵合工藝製作的SOI材料)。因此對鍵合片進行空洞檢測是必不可少的。目前一般採用X射線拓撲測量、反射超聲波圖像測量與紅外圖像法來探測鍵合空洞，且這些方法都是非破壞性的。X射線拓撲測量法分別率高，但所探測的面積小，對整個矽片進行探測需要較長時間，超聲圖像測量法成像時間較長。一種適用於實時監控的紅外空洞探測方法是紅外投射系統測量法。由紅外光源發射出的光源通過矽片透射，經信號接受後，在監視器上顯示出圖像。若有空洞，則紅外線在通過空洞時將產生幹涉，使得強度變弱，在顯示器上呈現陰影區。由於紅外透射系統是根據幹涉效應成像的，所以紅外探測到空洞的間隙大於四分之一的探測光波長(約0.25微米)。然而要建立這樣一套系統，價格很高，探測所需的紅外CCD器件的價格就在數萬元以上。
由於可見光不能透過矽片，使得不可能利用可見光來測量矽/矽直接鍵合質量。一般採用紅外光的方法來測試矽片的鍵合面積大小。然而一般製作的此類儀器由於採用只對紅外線敏感的紅外CCD攝像儀作為攝像器件，或採用專用的紅外光元件作為紅外光源，參見Q.Y.Tong和U.Gsele，半導體矽片鍵合新近動態，材料物理化學，37(1994)101-127。其問題是成本很高，一般都在數萬元以上。
本實用新型旨在提出一種較低成本的新設計，即採用普通的CCD攝像儀，普通的光源，配以可變焦鏡頭，加上黑白顯示器，即可觀測4英寸以內的矽/矽直接鍵合樣品，而仍然能夠保證圖像清晰實用。
以下結合附圖具體說明矽/矽鍵合質量測試儀的設計方案本實用新型如圖1所示，由顯示器(1)、CCD(電荷耦合器件)(2)、光學鏡頭(3)、光源盒(5)和傳輸線(6)組成。傳輸線的一端接在CCD的視頻輸出，另一端接在顯示器的視頻輸入。光學鏡頭裝於CCD的前端，通過標準的接口相連，光學鏡頭的光軸與CCD的中心軸共線。光源盒位於光學鏡頭的前方，光源盒的的上表面與光學鏡頭的光軸垂直。CCD採用黑白CCD。顯示器採用黑白顯示器。光學鏡頭採用可變焦鏡頭。光源盒由金屬鋁製成，盒內有五個燈泡，分別置於光源盒的四角和中心，光源盒的上表面的正中有一個圓孔，圓孔直徑比被觀測矽片(4)的直徑小0.05-0.3英寸。傳輸線採用同軸視頻線。
本實用新型的優點是採用了普通的CCD攝像儀，普通的光源，配以可變焦鏡頭，加上黑白顯示器，價格比原有的採用只對紅外線敏感的紅外CCD攝像儀作為攝像器件觀測矽/矽直接鍵合面積的儀器便宜了約10倍以上，而且圖像清晰。見附圖2，其中7是鍵合質量好的區域，由於紅外線在此區域不產生幹涉，強度不會變弱，在顯示器上較亮。8是鍵合界面有空洞區域，紅外線在通過空洞時產生幹涉，使得強度變弱，在顯示器上呈現陰影區。本實用新型在保證觀測結果的前提下極大地降低了成本。


圖1是矽/矽鍵合質量測試儀的結構圖1-顯示器 2-黑白CCD3-光學鏡頭4-被觀測矽片5-光源盒 6-傳輸線圖2是用本實用新型檢測一個矽/矽直接鍵合樣品的結果7-鍵合質量好的區域8-鍵合界面有空洞區域實施例採用PIH-12黑白12英寸顯示器。顯示器一般有一電源，一視頻輸入，一視頻輸出。CCD採用JS-12M3 420線黑白CCD。CCD的作用在於它能把光學信號轉化為電信號，實驗發現普通的CCD同樣對紅外線敏感。一般的CCD有一電源，一視頻輸出。光學鏡頭採用SSV0408G日本精工4.0-8.0mm F1.4可變鏡頭。可變焦鏡頭的作用在於可改變觀測物體的視場大小。用此鏡頭可使得能夠觀測到直徑1英寸到直徑4英寸的矽片。光學鏡頭與CCD有標準的接口。鋁光源盒內有五個功率1.5瓦，電壓為6.2V燈泡，五個燈泡分別置於鋁盒的四角與中心，由於鋁的表面較粗糙，使得光能夠在鋁盒內表面散射，較均勻地照射到矽/矽直接鍵合樣品上。在鋁盒的上面，有一直徑稍小於4英寸矽片的孔，4英寸矽片正好放於此空上，可見光被矽/矽直接鍵合對擋住，只有能透過矽片的紅外線能夠透過矽片，被CCD所檢測到。此裝置如果在光線較暗的空間內檢測，或者把光源盒，檢測樣品盒，CCD以及變焦鏡頭置於一暗盒內，效果更好。連接CCD與顯示器的傳輸線，一般為同軸視頻線。一端接在CCD的視頻輸出，一端接在顯示器的視頻輸入。用本實施例檢測一個矽/矽直接鍵合樣品的結果如圖2所示，其中7是鍵合質量好的區域，在顯示器上較亮，8是鍵合界面有空洞區域，在顯示器上呈現陰影區。
權利要求1.一種矽/矽鍵合質量測試儀，由顯示器(1)、電荷耦合器件CCD(2)、光學鏡頭(3)、光源盒(5)和傳輸線(6)組成，其特徵是1.1、傳輸線(6)的一端接在電荷耦合器件CCD(2)的視頻輸出，另一端接在顯示器(1)的視頻輸入；1.2、光學鏡頭(3)裝於電荷耦合器件CCD(2)的前端，通過標準的接口相連，光學鏡頭的光軸與電荷耦合器件CCD的中心軸共線；1.3、光源盒(5)位於光學鏡頭(3)的前方，光源盒的上表面與光學鏡頭的光軸垂直；1.4、電荷耦合器件CCD(2)採用黑白電荷耦合器件CCD。
2.按照權利要求1所述的矽/矽鍵合質量測試儀，其特徵是顯示器(1)採用黑白顯示器。
3.按照權利要求1所述的矽/矽鍵合質量測試儀，其特徵是光學鏡頭(3)採用可變焦鏡頭。
4.按照權利要求1所述的矽/矽鍵合質量測試儀，其特徵是光源盒(5)由金屬鋁製成，盒內有五個燈泡，分別置於光源盒的四角和中心，光源盒的上表面的正中有一個圓孔，圓孔直徑小於被觀測矽片的直徑，而大於(矽片直徑-0.3英寸)。
5.按照權利要求1所述的矽/矽鍵合質量測試儀，其特徵是傳輸線(6)採用同軸視頻線。
專利摘要本實用新型是矽/矽鍵合質量測試儀。矽/矽直接鍵合技術廣泛地應用於SOI(在絕緣層上的矽)材料的製造、不同材料之間的連接及體矽微機械傳感器與執行器的製造。矽片鍵合界面空洞的檢測是關鍵技術之一。本實用新型採用普通CCD攝像儀,普通光源,配以可變焦鏡頭,觀測矽/矽直接鍵合樣品,圖像清晰,簡單實用,成本較低。
文檔編號G01N33/00GK2363282SQ9820656
公開日2000年2月9日 申請日期1998年7月3日 優先權日1998年7月3日
發明者肖志雄, 張大成, 武國英, 張錄, 張太平, 張國炳, 王陽元 申請人:北京大學