基于复合亲水活化的低温直接键合技术研究

Low temperature wafer direct bonding technology is an important means to develop new semiconductor materials, prepare high-performance micro/nano devices, realize three-dimensional integration packaging and high-density interconnection. One of the key problems in the research of low temperature wafer direct bonding is how to obtain high bonding strength and good interfacial properties at low temperature. Based on the basic theory of low temperature wafer direct bonding and diffusion mechanism of water molecules at bonding interface, the surface micro-morphology and hydrophilic conditions for successful bonding are obtained, then a combined hydrophilic activation and two-step annealing process for low temperature wafer direct bonding is proposed. According to the microstructure, chemical composition and valence state of bonding interface, the microscopic mechanism of low temperature wafer direct bonding are further interpreted. The internal relation among interfacial characteristics, bonding mechanism and process parameters is also established. Furthermore, the research results of this project will help to fully understand the microscopic mechanism of low temperature wafer direct bonding, and provide new ideas and methods for low temperature wafer direct bonding process, which has important academic significance and broad application prospects.

低温直接键合技术是研制新型半导体材料、制备高性能微纳器件、实现三维集成与封装以及高密度互联的重要手段，如何在低温下获得高的键合强度以及良好的界面性能，是目前低温直接键合技术研究的关键问题之一。本项目基于低温直接键合的基本理论以及水分子在键合界面的扩散机制，获得低温直接键合所需的表面微观形貌及亲水性条件，提出基于复合亲水活化和两步退火的低温直接键合加工工艺，并根据键合界面的微观结构、化学组分及价态等进一步阐释低温直接键合的微观机理，建立界面特性与键合机理、工艺参数之间的内在联系。本项目的研究结果将有助于全面掌握低温直接键合的微观机制，为低温直接键合工艺提供新的思路和方法，具有重要的学术意义和广阔的应用前景。

低温直接键合技术是研制新型半导体材料、制备高性能微纳器件、实现三维集成与封装以及高密度互联的重要手段，如何在低温下获得高的键合强度以及良好的界面性能，是目前低温直接键合技术研究的关键问题之一。本项目基于低温直接键合的物理化学机理，建立了晶圆键合的理论模型，分析了水分子在低温亲水键合中的作用；设计并优化了基于干湿法复合活化的亲水键合工艺流程，实现了高强度、无空洞、界面性能优异的硅-硅低温直接键合，达到如下指标：键合温度350℃，键合强度≥18.58MPa，键合率≥95%，且界面处形成了稳定的SiOx层；搭建了红外测试系统，基于Matlab软件完成了对键合空洞和键合率的实时、快速检测；基于键合界面的微观结构及化学态，阐明了界面特性与键合机理、工艺方法之间的内在联系，并实现了石英-石英同质键合以及InP-SOI的异质集成，为低温直接键合技术在石英惯性器件以及混合硅基集成光电子器件中的应用奠定了重要的技术基础。项目在执行过程中，培养青年教师2名、博士研究生2名、硕士研究生5名；发表论文8篇，其中SCI论文5篇，EI论文1篇，会议论文2篇；申请发明专利1项；参加国内或国际相关领域学术会议及技术交流13人次，组织低温键合学术交流活动1次，达到了项目预期目标。