摘要

本文展示了一種通過兩步濕化學表面清洗來結合硅和石英玻璃晶片的簡易結合工藝。在200℃后退火后，獲得沒有缺陷或微裂紋的強結合界面。在詳細的表面和結合界面表征的基礎上，對結合機理進行了探索和討論。終止于清潔表面上的氨基可能有助于退火過程中結合強度的提高。這種具有成本效益的鍵合工藝對于硅基和玻璃基異質集成具有巨大的潛力，而不需要真空系統(tǒng)。

實驗結果和討論

圖1(a)。在裂紋打開方法中，剃刀刀片幾乎不能插入到結合的晶片之間。由于后退火后的大的結合強度(> 2.0J=m2)，在結合的晶片的邊緣上出現斷裂。這種結合強度可以承受隨后苛刻的機械研磨或拋光過程。

圖1.（在線彩色）(a)由SPM→RCA清洗和切割制備的75mm結合Si=石英晶片對由于200°C退火后粘合強度大的光學圖像。橫截面圖(b)SEM和(c)連接界面的TEM圖像。(d)跨EDS鍵接界面的元件分析（線掃描的分辨率為0.14nm）

圖2顯示了粘合機構的示意圖。眾所周知，SPM可以去除表面上的有機污染物，并產生含有懸掛鍵的新表面。2(a)：接著是室溫下的RCA清洗過程，少量的氨基(–NH2)可以被這些懸空鍵吸附。2(b)：經過SPM → RCA清洗后，硅和石英玻璃表面都非常親水(在我們的親水性實驗中接觸角< 5°)。表面硅烷醇基(Si–OH)和吸附的水分子之間的氫鍵網絡導致預鍵合后的弱鍵合強度。2(c)：在之前的一項研究中，硅–NH2基團的存在可能導致界面發(fā)生反應 。因此，它有助于在200℃的低溫退火期間增強結合強度。

圖2.(彩色在線)鍵合機制示意圖由四個步驟組成:用SPM (a)清洗Si表面，然后用RCA溶液(b)清洗，然后在室溫(C)和200°C退火后(d)鍵合Si和石英玻璃晶片。

值得一提的是，我們研究中使用的RCA清洗是在室溫下進行的(∨25°C)。清潔效果似乎不如在75–85℃下使用標準的RCA溶液。然而，室溫工藝可能會保留更多的–NH2基團，這些基團終止于晶圓表面，因為沒有熱蒸發(fā)。

結論

綜上所述，我們表明兩步SPM → RCA清洗可以有效提高Si =石英晶片對的低溫結合強度。在200℃后退火后，獲得沒有缺陷或微裂紋的強結合界面。終止于清潔表面上的氨基可能有助于退火過程中結合強度的提高。這種高性價比的鍵合工藝在硅基和玻璃基異質集成方面具有巨大的潛力，而不需要真空系統(tǒng)。

審核編輯：符乾江