wafer bonding,晶片键合机理(9)

所谓晶片键合技术是指将两片平整的晶片，通过表面清洁和表面处理后，经过晶向的对准，或者不经过晶向的对准，在室温下预键合在一起，最后通过高温热处理，使键合界面以化学键的形式，把两个晶片结合在一起的技术。晶片键合也被称为直接键合（direct wafer bonding），熔合键合（fusing bonding）。晶片键合过程可以简单地概括为表面处理、预键合和热处理三个部分^[7]。

晶片的表面处理过程主要包括晶片表面的抛光、清洗、氧化物和有机污染物的去除，以及晶片表面活化等一系列步骤。下面首先介绍一下键合晶片的表面特性对键合的影响。

（a）     键合晶片的表面^[9]

实际晶片表面原子的排列与内部有较为明显的差别。由于表面处原子排列突然发生中断, 形成了附加的表面能。如果在该处原子仍按照内部方式排列, 则势必增大系统的自由能（主要是弹性能）。为此, 表面附近原子的排列必须进行调整。调整的方式分为两种：一个是自行调整。表面层原子受力情况与体内不同, 引起表面晶格常数改变, 使得表面处原子排列与内部有明显不同, 如弛豫、重构、台阶化等。这种清洁表面上存在的电子态称为本征表面态；另一个是靠外来因素。如吸附杂质等。因为表面原子通常有不饱和键, 活性特别大, 在吸附外来杂质的同时, 发生电子交换, 产生附加的外诱表面态, 又称非本征表面态。从热力学角度来看, 原子重排的表面减小了表面能, 使系统稳定, 但悬挂键的密度下降。

表面悬挂键越多, 表面能就越大。具有面心立方结构的金刚石（IV）(如Si, Ge) 和闪锌矿（III-V）晶体 (如GaAs, InP) 是靠sp3键合而成的晶体, 在（100）、（110）和（111）平均每个表面原子分别有2根、1根和1根悬挂键, 每平方厘米断裂键数分别为 、 、 （其中 为晶格常数）。可见（100）面断裂键密度最大, （110）面次之, （111）面最小。实际表面重构时sp3杂化键会部分退化, 使得一些悬挂键得到局部的饱和, 这样会使表面的悬挂键密度降低,  但（100）面仍然具有最大的表面能, 所以（100）面作为键合表面更容易增强键合强度。