硅基晶片的等离子体表面活化处理提高亲水性

采用表面活化处理或表面清洗的方法是近几年在晶圆键合及微流控器件制备过程中常用的方法。湿法化学处理过程的表面清洗过程繁复，还会对有源半导体器件及基板表面布线图案等产生妨碍或损伤，难以在器件制备过程中推广使用。紫外光表面活化处理过程中，紫外光的辐照能够有效去除待键合材料表面的污物，并能打开材料表面的化学键，使能够促进键合的悬挂键增多。然而紫外光处理过程中产生的O3外排会对环境及生物产生不良影响，同时紫外光活化设备辐照面积有限，难以对材料表面产生均匀的处理。在晶圆键合中常用电容型射频 等离子体对晶圆表面进行处理。电极间高频电场电离气体（如O2、N2、H2、Ar），在真空腔中产生均匀等离子体，同时带电粒子被偏置电压进行加速对表面轰击，有效去除晶圆表面污染物和氧化层，实现晶圆表面的活化。

等离子体表面活化实现晶圆直接键合是亲水晶圆键合的一种典型方法，在亲水性晶圆直接键合中，具有良好润湿性的光滑表面（粗糙度<0.5nm）之间能够自发的通过硅醇(Si-OH)之间的脱水反应而实现键合。

等离子处理对硅晶片表面润湿性的影响

对水平放置的硅晶片进行不同时长的 氧等离子体表面处理，得到如图1所示为表面处理时间分别为0s、5s、10s、15s、20s的硅表面水液滴润湿情况。由图1可知，未经处理的硅晶片表面液滴保持半径较小的球冠状，随着氧等离子体表面处理时间的增加，硅晶片表面液滴越来越铺展，当处理时间达到20s时，液滴在硅表面完全铺展。对各个处理时间硅表面液滴的接触角分别进行测量，得到如图2所示的硅晶片表面接触角随处理时间变化图像。未经处理的硅晶片表面接触角为71.8°，润湿性较差，而当处理时间增加至20s时，硅晶片表面接触角降至0°，继续增加表面处理时间至25s、30s后，接触角并未发生改变，稳定在0°。

图一 等离子表面处理不同时长硅晶片表面液滴铺展图

图二 硅晶片表面接触角随等离子表面处理时长变化曲线

未处理硅晶片表面润湿性差、液滴接触角大的原因是处理前的硅晶片表面存在碳氢化合物、碳氧化物等污染物。随着表面处理过程的进行，表面的污染物通过高能粒子轰击解吸附、被氧化生成挥发性气体从表面逸出等方式得到清洗。与此同时，氧等离子体直接作用在表面部分区域，产生更多如Si-、Si-O-悬挂键，提高表面能与表面活性，能够与周围环境中的游离-OH生成部分Si-OH，使得表面的润湿性提高，接触角减小。当表面处理时间不断增长时，更多的表面污染物被清洗，更多的洁净表面被暴露与等离子体直接作用，产生Si-OH的数量不断增加，表面润湿性进一步提高，润湿角持续下降。直到表面处理时间超过20s后，提高表面润湿性的亲水基团Si-OH增至能够使液滴完全在硅晶片表面铺展的程度，润湿角为0°。

等离子处理对石英晶片表面润湿性的影响

水平放置石英晶片进行不同时长的氧等离子体表面处理后观察其表面液滴铺展状况得到图3，其中表面处理时间分别为0s、5s、10s、15s、20s。相较于未处理的硅晶片，未经处理的石英晶片表面球冠状液滴的直径较小，随着氧等离子体表面处理时间的增加，石英晶片表面液滴持续铺展，当处理时间达到20s时，液滴在石英表面完全铺展。同理，测量不同时间石英晶片表面的接触角，得到如图4所示的石英晶片表面接触角随处理时间变化图像。对比未经处理的硅晶片，未经处理的石英晶片润湿性较好，表面接触角为43.2°，大大低于未经处理硅表面的接触角。当处理时间增加至20s时，硅、石英晶片表面接触角降至0°，同样继续增加表面处理时间至25s、30s后，接触角也并未发生改变，稳定在0°。

图三 等离子表面处理不同时长石英晶片表面液滴铺展图

图四 石英晶片表面接触角随等离子表面处理时长变化曲线

氧等离子体在石英表面的作用过程同在硅表面作用过程一致，随着表面处理时间的增加，表面污染物被逐步清洗，更多清洁表面得到暴露与高能粒子作用产生活性更高的悬挂键来结合亲水基团。
此外，对表面本征亲水的硅和石英晶片，等离子体作用后表面产生高度均一的纳米起伏，使得表面亲水性增加，从而使得接触角减小。在某个时间长度的表面处理过后，在晶片适宜表面粗糙度和亲水性共同作用下，得到最佳键合效果的键合界面。

未处理的石英表面除Si-O-Si网络外，还存在由于制造加工过程中产生的断键。此外，未处理的晶片表面均含有一定的碳氢污染物，石英表面还存在含氮污染物。经氧等离子体表面处理后，硅及石英晶片表面晶片均产生了具有更高活性的Si-O，能够与更多亲和基团成键，使得表面Si-OH密度增加，表面亲水性增加。经过氧等离子体表面处理后，硅及石英晶片表面润湿性均随处理时间的增加而提高，使得表面液滴接触角不断下降。等离子体表面活化键合有着便捷有效、经济效益高、能量损耗低及环境友好等突出的优势

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