晶圓接合機制

二、晶圓接合技術簡介

2.1. 晶圓接合機制

晶圓接合技術簡單來說就是將兩片晶圓作面對面相接，此時晶圓表面會產生微弱的吸引力，讓兩片晶圓產生預接合(Pre bond)，同時對試片施以同軸應力與適當的高溫退火，讓晶圓表面的化學鍵可以產生更大的鍵結強度，達到如塊材般的接合介面。

晶圓接合技術可細分為很多種，如果以接合介面中間是否以黏著劑或其他中間介質層作為接合，可以將晶圓接合技術大略分成兩種：

第一種是使用膠或是中間介質物來作接合，稱為中間介質層晶圓接合 (Intermediate layer wafer bonding)；第二種是晶圓直接接合而不使用膠或是中間介質物，稱為直接晶圓接合(Direct wafer

bonding)。

直接接合技術中，初期兩片晶圓接觸，表面會產生數種微弱的交互作用力，可以讓晶圓具有一定的預接合力，這些初期的吸引力大致可分為三種:(1)凡德瓦爾力；(2)毛細作用力；(3)靜電力。此三種吸引力以下均會做詳細討論。

圖2-1 晶圓預結合三種初步吸引力^[14]

第一種的凡德瓦爾力在初步作用力中具有一定的份量^[15]。由於矽與砷化鎵是對稱結構，單純非偶極誘發的凡德瓦爾力難以存在於完全無氧化層的矽晶圓表面上。當我們使用氫氟酸去除矽的原生氧化層後，

會在表面殘留許多 F^-離子，在介面處形成 H-F 的氫鍵結構，因此凡德瓦爾力皆發生於兩片晶圓接合介面處。

雖然晶圓表面皆經過鏡面拋光等處理，但是微觀下的表面仍有許多不平整的地方，而第二種的毛細作用力便會出現在此處，又毛細作

用力通常發生在兩介面處的液體上。

第三種是靜電力亦稱為庫倫力，當兩晶圓接觸時表面的電荷會相互流動，最後在晶圓介面處產生不可動的正負離子而達到化學平衡，

產生費米能階效應(Fermi level effect)，兩晶圓表面因正負離子而吸引在一起^[16]。 (Dangling bond)，在此區域會以重構狀態(Reconstructed state) 存在。這些表面狀態相較於內部塊材具有較高的能量，當受到應力與

介面達到如塊材一般的完美融合。

圖2-2 (a)曲率差異造成擴散現象 (b)退火後的表面鍵結 2.2. 晶圓接合技術

上述已有提到可依是否使用膠或中間介質物接合，將晶圓接合技術大致分為兩種，但是不同材料所適用的接合技術各不相同，因此可以再將接合技術細分為以下數種^[18][19]：

1. 直接晶圓接合(Direct bonding)

A. 融合接合(Fusion bonding)

B.陽極接合法(Anode bonding)

C. 低溫接合

2. 間接晶圓接合(Indirect bonding)

A.金屬共晶接合法(Eutectic bonding)

B.介金屬化合物接合(Intermaterial compound bonding)

C. 塗佈化學介質層接合

力過大，甚至在巨觀下可觀察到裂縫造成試片分離或是脆裂等現象。

本實驗選擇矽與鍺作為接合的材料，鍺與矽的熱膨脹係數比為2:1，

可預期在高溫退火過程中造成巨大的影響，可以藉由以下幾種處理方式，改善熱膨脹係數差異造成的接合問題。包括低溫長時間退火，表面活化處理，改變表面形貌或使用間接晶圓接合等等，皆可有效改善此問題。

圖2-4 不同材料在不同溫度下熱膨脹係數變化^[21]

2.3.3. 接合環境

由於前文所述微小粒子會直接影響接合結果，因此實驗過程中需要良好的接合環境來排除微小粒子所造成的影響。通常在潔淨腔體或潔淨室內清洗試片可有效解決雜質粒子所帶來的問題。除此之外，清洗過程中，晶圓表面殘留的水氣也會直接影響接合的結果，因為水氣會被捕捉在介面與汙染物的產生，水氣在退火的過程中會脫離晶圓表

1. 克服磊晶因晶格不匹配(Lattice mismatch)所產生的差排

(Dislocation)和缺陷(Defect)，晶圓接合技術可將差排與缺陷侷

表3-1 鍺晶圓參數表

Ge P-type N-type Thickness (μm) 175 175

Doping Ga-doped As-doped Doping conc. (1.7~5.9)*10¹⁷ (1.8~2.2)*10¹⁶

表3-2 矽晶圓參數表

Si P-type N-type Thickness (μm) 550 450

Doping B-doped P-doped

Doping conc. (6.25~3.13)*10¹⁷ (1.15~1.74)*10¹⁸ 使用晶圓精密切割機(Dicing saw)先將晶圓沿著平邊[01^1^]水平與垂直方向，分別切出1cmX1cm大小的試片，再將Si試片裁切出1 mmX1 mm，深度160 μm溝槽。工作試片製備流程如圖3-1所示:

圖3-1 工作試片切割示意圖 3.3. 清洗流程

試片清洗前，先在試片背面沿著平邊方向作記號，再以去離子水 (DI Water)沖洗五分鐘，接下來每個步驟間皆會以去離子水沖洗五分鐘。接著將試片浸泡丙酮(Acetone)並使用超音波震盪器震盪10分鐘，

此步驟目的是去除試片表面微小粒子與黏著有機物。接著將試片置於異丙醇(IPA)五分鐘，以去除試片表面殘餘的丙酮與水氣。再來製備硫酸與雙氧水混合溶液(H²SO⁴:H²O²:H²O=1:1:10)，將試片浸泡於此混合溶液五分鐘，硫酸先碳化並脫水有機物，雙氧水再將此有機物氧化並帶離表面，藉此去除表面有機汙染物。接著將試片短暫浸泡稀釋氟

化氫溶液(DHF)20秒，此步驟可將表面原生氧化層去除，清洗後試片呈現疏水性表面。最後在室溫下異丙醇中作預接合，文獻^[23]指出在甲醇或異丙醇中接合，比在空氣中作直接接合的強度高，而且此類有機物的揮發性高，可將殘留在表面的水氣帶走，且不容易殘留於介面，

因此可以避免退火過程中，水氣無逸散路徑而造成孔洞(Void)而大幅降低接合強度。

圖3-2 試片清洗流程圖 3.4. 高溫退火過程

先將試片在異丙醇作面對面的預接合，注意兩試片不要滑動且防止介面裸露於空氣中，緊接著將試片置入本實驗室特製的夾具

(Fixture)中，將鉬螺絲帽依序鎖緊，此步驟是防止試片因壓力不均而破裂。夾具由(1)鉬螺帽(2)鉬螺旋棒(3)不鏽鋼(304圓盤)(4)石磨墊片，如圖3-3與圖3-4所示:

圖3-3 夾具的分解示意圖

Mo nut

Stainless steel plate

Graphite spacer

Wafer pairs

Mo rod

圖3-4 夾具結合圖

直接接合除了高溫退火外，同軸應力也是一大重點，此特製夾具可解決此問題。因鉬螺絲與不鏽鋼熱膨脹係數差異甚大，當升溫時不鏽鋼膨脹體積增加，而固定不鏽鋼的鉬螺絲體積不太變化，因此不鏽鋼膨脹所造成的形變都向內對試片擠壓，而達到同軸應力的效果，應力大小隨著溫度略有變化，估測大約為數十MPa；而石墨墊片的熔點高達3650°C，在本實驗中可防止試片沾黏在不鏽鋼上，並且可以達到均溫與提供均壓的功能，防止施壓不均造成試片破裂。

試片與夾具結合後隨即放入長型不鏽鋼爐管中進行高溫退火。首先利用長型熱電偶將夾具緩慢推進至加溫區，保持熱電偶與不鏽鋼圓盤接觸，觀察並控制實驗溫度與實際試片承受溫度不會相差太大。接著將不鏽鋼封蓋確實鎖緊使氣體無法進出。接著將長型爐管內的殘餘

氣體抽至真空，再通入保護性氣氛氮氣(N²)，反覆此抽氣通氣動作三次，目的在於將爐管內雜質氣體含量降至最低，尤其避免氧氣在介面形成非預期氧化層而影響實驗結果。最後通入氮氣略大於一大氣壓，

防止退火時外界空氣進入爐管影響接合結果。完成後即開始升溫，大約升溫至退火溫度的一半，再次進行抽氣通氣的動作，將因升溫從爐管管壁內的逸散水氣(Out gassing)排除，防止過多氧化層在介面生成。升溫至實驗溫度後，控制溫度上下震盪不超過10°C。最後本實驗採取爐冷(Furnace cooling)，防止降溫時因熱應力釋放而導致兩片試片裂開或破碎。

圖3-5 鉬與不鏽鋼熱膨脹係數對溫度圖^[23]

圖3-6 實驗配置圖

3.5. 電性量測

電性量測試片製作流程如下:首先在1cmX1cm的矽晶片上切割出 1mmX1mm，深度160μm的網狀結構(Mesa)，與1cmX1cm的無網狀結構鍺晶片作接合。經過高溫退火處理後，利用研磨機將矽晶片端減薄至呈現溝槽狀結構，露出底部鍺晶片。接著將真空膠切割出與溝槽大小符合的長條狀結構，仔細蓋覆溝槽區，最後利用真空膠將試片四周區域隔離。接著鍍上歐姆接觸電極(Ohmic contact)，真空膠的功用在於避免金屬鍍覆於溝槽內，避免電性量測時電流沿著底部金屬流過，而非從上下材料介面垂直導通。本實驗採取雙面鍍覆方式，E-gun在鍺晶片端逐層鍍上Ti/Au(300Å/2000Å)，矽晶片端則逐層鍍上Ti/Al(300 Å/3000Å)，結束後將真空膠撕除，即完成電性量測的試片。

圖3-7 電性量測試片製作流程圖 3.6. 微結構觀察與分析

晶圓接合的介面，可能由數個奈米或是數百奈米不等，為了能精確的觀察到在不同退火條件下的晶圓接合介面情況，本實驗使用穿透式電子顯微鏡(TEM)，因穿透式電子顯微鏡具備超高解像能力，在一般影像觀察比其他分析工具優越許多。在實際操作時可以彈性地放大倍率範圍，常應用於半導體材料研究。在影像觀察方面，對材料有敏銳的觀察能力，包括晶粒方向、同質異型結構、異質異型結構與同質同型結構。而不同材料間的對比主要來源有質量-厚度對比

(Mass-thickness contrast)與相對比(Phase contrast)，相對比的影響較為微弱，只有在質量-厚度對比不明顯時才顯得比較重要。穿

透式電子顯微鏡利用高能電子束穿透試片於下方螢光板上成像，通常利用電子成像的繞射比(Diffraction contrast)，作為明視野

(Bright field, BF)或是暗視野(Dark field, DF)影像，並配合繞射圖樣來觀察。本實驗使用矽與鍺晶圓作異質材料晶圓接合，原子序差異大，因此在穿透式電子顯微鏡下很好分辨，並不會產生誤判的情況。

此外，利用高能電子束的短波長特性做高解析度影像分析，電子束在穿透試片後產生的球型波在穿透試片過程中受到材料內部原子散射的影響，因此穿透後的波帶著許多材料內部的訊息，而每個球型波的互相干涉的結果會在螢光板上展生一顆顆晶格影像(Lattice image)，

我們可以藉由這些晶格成像來分析材料內部差排(Dislocation)與疊差(Stacking fault)等缺陷(Defect)分布情況。穿透式顯微鏡還可作電子繞射等分析，此原理與 X 光繞射原理雷同，其中電子波長比 X 光波長短很多，因此在繞射理論下，呈現在倒空間(Reciprocal space) 中的長度會長很多，在 Ewald sphere 中一次可以與許多點相交，換句話說，作一次繞射可以得知所有面的訊息，因為許多面同時滿足繞

在文檔中鍺與矽晶圓接合介面形態與電性研究 (頁 18-0)

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