二、 晶圓接合技術簡介
2.3 接合變數影響
從晶圓表面的品質來分類，有三個參數可以做為觀察的重點：平坦度 (Flatness) 、 平 行 度 (Parallelism) 和 晶 圓 表 面 的 平 滑 度
(Smoothness) ，平坦度指的是巨觀上上厚度的變化，平行度則是相對翹曲
大成巨觀的裂縫使試片分開或脆裂。目前研究顯示低溫長時間退火，表面 活化處理，改變表面形貌等等，都可有效的減少熱應力影響。下圖顯示了 各種不同的材料在不同的溫度下熱膨脹係數的變化：
圖2.8 不同材料在不同溫度下熱膨脹係數變化[27]
2.3.3 接合環境
接合環境對晶圓接合品質有重大的影響，在真空系統中清洗後接合可 避免水氣捕捉在界面以及汙染物的產生，接合的強度約是在空氣中接合的 兩倍，但真空系統造價昂貴。在有機溶液中接合可達到類似的效果，主要 是減少水氣捕捉在界面的現象，水氣在高溫形成氣體，若無路徑使之離開 介面，會產生氣泡或孔洞降低接合強度，有機溶劑相較於水，較不易被介 面捕捉，本實驗選用的有機溶劑為異丙醇(IPA)。
2.3.4 退火時間與溫度
退火是晶圓接合技術的關鍵步驟，圖 2.9 為矽晶圓接合強度與退火溫 度、時間的關係圖[32]，溫度與時間是接合過程中相當重要的兩項變數，晶
片在室溫接觸(contact)後產生的微弱吸引力，須經過高溫退火後方可產生 較強的共價鍵結，然而材料接合需考慮熱應力的作用，高溫退火產生的熱 應力會導致試片的碎裂，選擇適當的退火溫度與時間方可取得接合強度與 熱應力間的平衡。另外高溫退火造成原子的擴散以及參雜濃度的改變，亦 是界面分析的重點。
圖2.9 退火溫度與退火時間對接合強度的影響[28]
2.3.5 退火氣氛
A. 使晶格不匹配(lattice mismatch)所產生的差排(dislocation) 和缺陷(defect)僅限於接合界面區域，而不會延伸至元件活性層而影響 元件特性。
B. 結合面牢固，接合的材料像單一的晶體材料一樣，完全適合後續 加工如於切割、研磨、拋光等機械加工技術。
C. 直接接合晶片，可以實現低電阻歐姆性質的導電特性及高透明度 的光學性質，滿足了光電元件的需求。
D. 增加了元件設計的自由度。
E. 設備簡單、價格便宜。
三、實驗方法 3.1 實驗流程
本實驗主要分為，工作試片製備、清洗流程、室溫接合、高溫接合、
電性量測、微結構觀察與分析，室溫接合包含了試片在有機溶液中接合的 動作。高溫接合是本實驗最重要的控制變因之ㄧ，高溫接合在本實驗中使 用了五個溫度，500℃、600℃、700℃、800℃、900℃。
3.2 晶圓試片的製備
本實驗使用的晶片為３吋(100)面Ｎ型砷化鎵晶圓，參雜物為矽，濃度 約1018 ，厚度約350μm，試片製備以精密晶圓切割機(Dicing sow)對準平邊
[01−1−]垂直水平方向切割成8mm×8mm大小，深度約120μm的網格狀結構 (Mesa)。示意圖如下:
圖 3.1 試片切割示意圖
圖3.2 精密晶圓切割機(Dicing Saw)
3.3 清洗流程
首先將試片取出靠近平邊的地方做記號，以確定試片的方向，接著把 試片放上破片用載具並用去離子水(DI water)沖洗 5 分鐘，接著放入丙酮 (ACE)內用超音波震盪器震盪 5 分鐘，藉此清除表面附著的微細粒子與黏著 性有機物雜質；再來將試片放入異丙醇(IPA)當中浸泡 5 分鐘來除去前一個 步驟殘存在試片上的水氣或丙酮；然後再將試片放入硫酸與雙氧水的混合 溶液 ( H2SO4:H2O2:H2O =1:1:10)內 5 分鐘，將表面有機物脫水碳化，雙氧水 將之氧化帶離表面，使表面有機汙染物清除；再來我們使用氫氟酸(DHF)快 速浸泡 20 秒，除去試片表面的原生氧化層(Native oxide)。清洗完成後呈
現疏水性表面，緊接著把清洗完成的試片放入異丙醇(IPA)中面對面進行接 觸，文獻中[31] 指出，在甲醇或異丙醇中進行室溫接合的步驟，可以有效的 提高接合的強度，且由於有機溶液異丙醇揮發速率較快，也可以順便將殘 留在表面的水氣都帶走，而不會影響到介面處接合的結果。整體的清洗過 程流程圖如下所示：
圖 3.3 試片清洗流程圖
旋轉角度對晶圓接合介面也有很大的影響，旋轉 90°做接合，稱這種方 向為順向(In phase)接合方向，旋轉 0°或 180°接合則稱為反向接合方向 (Anti phase) [30]。由[110]方向投影的的原子結構來看，反向接合的介面會 產生雙晶(Twin interface)的排列方式，順向接合則無此雙晶介面的產生，
如下圖所示。本實驗是以晶圓平邊記號為準，旋轉 90°做順向接合，且必須 注意邊角的對齊，避免旋轉角度對介面分析及電性分析造成的誤判。
In phase
No‐twin interface Twin interface
Anti phase
<110>
圖 3.4 旋轉角度接合面<110>投影示意圖[32]
3.4 室溫下的接合
當兩片試片在異丙醇當中順向接合疊合完整後，即取出放置在無塵紙 上面，此時要注意取出的過程中不能使的兩試片間有滑動而使介面觸碰觸 到空氣，緊接著就將兩試片放置在石墨片之間，並且使用本實驗室特製的 夾具(Fixture)，將之鎖好後，即可以接著後續的高溫退火步驟。實驗室特 製的夾具是由下列幾項零件組成：(1)鉬螺帽 (2)鉬螺旋棒 (3)不鏽鋼 (304)圓盤 (4)石墨墊片，而夾具的分解示意圖以及結合示意圖如下所示：
圖3.5 夾具分解示意圖[33]
圖3.6 夾具結合示意圖[33]
3.5 高溫退火過程 度後震盪最高不超過 10℃，降溫採用爐冷(Furnace cooling)，冷卻速率約 20~40℃每分鐘。
圖3.7 高溫退火器材[33]
圖3.8 鉬與不鏽鋼熱膨脹係數對溫度圖[31]
3.6 電性量測
本實驗中所有的接合試片皆分為兩部分：一邊是 8mm X8mm 的方格，另 一邊則是在 8mm X8mm 的方格上再切割出長寬皆為 1mm X1mm、深度約為 120 μm 的網格狀結構，而在具有網格狀結構的試片背面處進行研磨，一直研磨 到露出網格狀的結構為止，接著鍍附上一層金屬做為歐姆接觸(Ohmic contact)，實驗上我們是使用 Cr/Au (2000A/300A) 作為電極，且使用鍍雙 面的方式來量測電性，並且金屬沉積上後送入爐管經歷 380℃、10 分鐘退
圖 3.9 電性量測試片製備流程圖
圖 3.10 電性量測示意圖
Cr/Au as
Ohmic metal Measured by
KEITHY 4200
3.7 微結構觀察與分析
我們採用穿透式電子顯微鏡(TEM)的高解析度影像來觀察界面型態，
TEM 使用具有短波長特性的高能量電子(200kV)，可以觀測到試片界面處的 及一些缺陷，例如：差排、疊差等等。另 TEM 也可以做電子束的繞射，藉 由電子束的繞射點(Diffraction pattern)來鑑定材料的結構並將材料定 性。此外，由於接合的界面處會有非晶質層(Amorphous layer)的出現，且 兩邊試片界面在高溫下也會有原子交互擴散的可能性，為了確定此一區域 的原子種類，使用電子能量散佈 X 光分析(Energy Dispersive X-ray analysis; EDX)即可以確定材料中特定區域的成分組成。
試片製作方面，將原本 8mm X8mm 的試片先分成小塊，在試片的兩側各 黏貼上一墊片，再將界面的橫截面(Cross section)研磨至約 20μm 的厚 度，之後把此薄試片上銅環後，利用準確離子減薄機(Precision Ion Polish System ,PIPS)再將之減薄至適合拍 TEM 的厚度。
四、結果與討論 品質，如:平坦度 (Flatness)、平行度 (Parallelism)和晶圓表面的平滑 度 (Smoothness)等因素影響，可能使接合界面產生氣泡或是孔洞，藉由此
實驗結果如下列表格：
4.2 介面微觀結構分析
在以往的研究中，如果在超高真空(UHV)中操作，從試片清洗、預接合
到高溫退火都在真空系統中進行，則可避免外來物，包括了氧與汙染物在 介面的殘留。而本實驗不是在超高真空中進行操作，在室溫預接合和進行 爐管退火的操作過程中，無可避免的會有氧原子殘留在介面中，導致在介 面處必然有一層非晶質層的存在。根據以往砷化鎵晶圓接合的研究，退火 溫度越高，介面原子獲得的驅動力越大，越能夠跨越能障進行介面結構的 重組，對氧原子來說，包括了橫向的擴散以及往晶圓內部的擴散，均是為 了降低介面能以及表面能，使總自由能降低。由前面對接合的機制論述我 們可以知道，隨著退火溫度的增加，我們預期會看到氧化層的聚集現象以 及完美接合區域的增加，從電性量測所觀察到介面電阻值的變化，也能夠 解釋介面隨溫度變化的現象。下圖 4.1-圖 4.4 分別是劉柏均學長使用無網 格狀結構的試片 400℃~850℃接合 N-GaAs 介面形態。
圖 4.1 400℃ 2hr 劉柏均學長接合 N-GaAs 介面形態[38]
圖 4.2 500℃ 2hr 劉柏均學長接合 N-GaAs 介面形態[38]
圖 4.3 600℃ 2hr 劉柏均學長接合 N-GaAs 介面形態[38]
圖 4.4 850℃ 2hr 劉柏均學長接合 N-GaAs 介面形態[34]
觀察劉柏均學長接合 400-850℃ 兩小時 N-GaAs 介面形態，我們發現 介面處在 400℃呈現連續非晶質層，而在 500℃開始有一些非晶質層聚集的 現象，600℃的影響可觀察到已經聚集成球狀的氧化物，而在 850℃ 兩小時 N-GaAs 介面形態可發現，介面處的非晶質層已經完全擴散進入試片內部，
砷化鎵晶圓試片呈現完美接合狀態。
下圖 4.5 為個人使用具有網格狀結構的試片在 600℃~900℃接合 N-GaAs 介面形態。
圖 4.5 600-900℃ 2hr 使用具有網格狀結構接合 N-GaAs 介面形態 由上圖 4.5 中可看出，介面處非晶質層由低溫到高溫同樣呈現類似的 情況，連續非晶質層先是變薄，接著出現球化聚集現象，而在 900℃非晶質 層厚度觀察不到 5nm，試片幾乎呈現完美接合狀態，整體趨勢與劉柏均學長 使用無網格狀結構的試片接合結果大致相同。
此種變化可由下圖表示：
圖 4.6 溫度升高時接合介面的變化[35]
以自由能的觀點分析，當有一異質物質存在本體的三維空間中，將形 成球體來降低表面能與總自由能，若是存在在三維空間的邊界上，將形成 帽狀(cap)來降低能量，我們可將砷化鎵與砷化鎵的表面視為三維空間的邊 界，非晶質視為異質物質，非晶質將頃向形成雙帽狀(double cap)來降低 總能量。因此，隨著時間的變化，介面非晶質將因自由能的趨勢聚集成球 狀，非晶質擴散留下的空位將由砷化鎵內部的原子擴散來填補，進而形成 完美接合的區域，這種現象解釋了在高溫退火下的試片會觀察到完整接合
以自由能的觀點分析，當有一異質物質存在本體的三維空間中，將形 成球體來降低表面能與總自由能，若是存在在三維空間的邊界上，將形成 帽狀(cap)來降低能量，我們可將砷化鎵與砷化鎵的表面視為三維空間的邊 界，非晶質視為異質物質，非晶質將頃向形成雙帽狀(double cap)來降低 總能量。因此，隨著時間的變化，介面非晶質將因自由能的趨勢聚集成球 狀，非晶質擴散留下的空位將由砷化鎵內部的原子擴散來填補，進而形成 完美接合的區域，這種現象解釋了在高溫退火下的試片會觀察到完整接合