水蒸气辅助等离子体活化室温键合及其机理研究

In semiconductor manufacture and micro/nanosystem packaging field, wafer direct bonding at room temperature (～25℃) without requiring heating is highly desirable to remove all problems raised from high temperature. It is regarded as one of promising techniques for next micro/nanofabrication. In this project, a vapor assisted plasma activated bonding method is proposed. In order to improve the bonding strength at room temperature, both OH groups and water molecule layers are properly controlled to be adsorbed on wafer surfaces using the vapor assisted plasma activation. This method enables sufficient bonding strength even at room temperature and prevents void generation as much as possible. Also, it is a facile, environment-friendly, and low-cost process. . On the other hand, we propose a bonding model based on the molecule dynamics to simulate the bonding behavior combing with surface and interface characterizations. According to the relationship between the bond energy in atomic/molecular scale and the bonding strength in maco scale, the effect of temperature on bonding strength is systemically investigated. Therefore, a dynamic model is established to demonstrate the bonding mechanism. We believe that this model provide a useful tool for optimizing bonding parameters, developing novel wafer bonding process as well as understanding the role of plasma activation. Furthermore, the bondability between Si-based materials is expected to be predicted theoretically based on this model.

在半导体制造及微纳系统封装领域，无需加热的室温(～25℃)晶圆直接键合能够避免一切高温退火所带来的问题，被视为下一代微纳制造工艺的备选。本项目提出了水蒸气辅助等离子体活化法。该方法通过水蒸气辅助等离子体照射控制吸附于晶圆表面的羟基 (OH基团)密度和吸附的水分子层，从而提高键合强度。该方法旨在实现在室温即能达到足够键合强度的同时，最大限度地减少孔洞的产生。该方法还具备简单易行，绿色环保，低成本等特点。. 另外，本项目我们利用分子动力学,参照材料表面及键合界面表征结果，模拟键合行为。通过原子尺度键合能和宏观键合强度的相关关系。考察温度对键合强度的影响，实现键合机理模型建立。该模型能够对键合工艺参数的优化提供帮助，弄清等离子体表面活化的条件对键合强度的影响及其作用方式，理论上预测硅基材料之间的键合性。

晶圆键合是半导体制造中不可替代的重要环节，常规的半导体晶圆键合方法由于退火温度高，热扩散和热应力难控制，无法满足后摩尔时代电子/光学/生物等多元器件异质集成的要求。为了突破这一技术瓶颈，本项目提出了一种新型水蒸气辅助等离子体活化室温键合方法，实现了硅基晶圆之间无需加热的室温键合工艺，从根本上解决了键合过程中因高温带来的一系列问题。利用材料表面及界面的表征，研究等离子体表面活化的条件对键合强度的影响，建立硅基晶圆直接键合机理模型，阐明了室温键合机理。在此基础上，进一步提出了水蒸气辅助真空紫外光活化键合新方法，能够在获得清洁表面的同时最大限度地减少物理损伤，以消除后续退火过程键合界面产生空洞的隐患，阐明了界面水分子在键合过程中的重要作用。该方法成功适用于硅/硅、硅/石英、石英/石英以及第三代半导体碳化硅的低温键合。将表面活化键合方法应用于微纳流控芯片开发，基于液态水在扩展纳米空间(10-1000 nm)内的特性，制造出微纳米热管冷凝器件、三维人造肾脏和植物仿生纳米泵等新型器件。通过本项目研究，开发出了具有自主知识产权的水蒸气辅助表面活化键合工艺和设备，获得了异质材料室温/低温键合的基础理论及数据，为下一代晶圆级三维异质集成奠定理论和技术基础。以上研究工作共计发表论文25篇（负责人均为第一/通讯作者），其中SCI论文16篇，2篇论文被选为期刊封面图片；国际会议论文8篇，1篇论文获电子封装技术国际会议杰出论文奖；申请国家发明专利11项，其中已获得授权4项；培养博士研究生1名，硕士研究生5名；国际会议口头报告7次，其中邀请报告4次。