等离子体活化清洗对硅/玻璃键合的影响

文章出处：等离子清洗机厂家 | 深圳纳恩科技有限公司| 发表时间：2023-01-03

等离子体是物质继固态，液态和气态之后的第四种状态。当施加的电压达到击穿电压时，气体分子被电离产生电子，离子，原子和原子团的混合物。同时，还会发生各种复杂的物理和化学反应，例如离子分子反应，电子碰撞反应，发光，光电离等。

等离子体活化对材料表面性能的影响

（1）去除材料表面杂质
待键合的材料表面并不是理想的光滑平面，其表面附着杂质和氧化物。当材料表面杂质较多，较大时，在键合过程中会起到阻碍作用。研究发现，当材料表面杂质得到处理后，可以大幅缩短键合所需的时间。这意味着，去除杂质可以使得阳极键合更容易也更快的进行。因此，表面杂志的处理对于键合而言是非常重要的。

等离子体活化可以去除材料表面的杂质，当材料表面存在杂质时，高能粒子直接作用于材料表面的杂质，破坏去除杂质，对材料表面起到了清洗作用，改善了材料表面条件。

（2）对材料表面化学活性的影响
玻璃制作时，硅酸盐以OH的形式存在，与氢原子连接或独立存在。当采用等离子体对表面处理时，产生了大量的放电微通道，此时这些微通道内的高能粒子直接作用于玻璃表面，大量粒子不断与材料表面碰撞消散，介质阻挡放电产生的低温等离子体的电子能量在4-5ev的范围内，足以破坏氢键能（0.2-0.3ev）。因此，当产生的等离子作用于玻璃表面时，玻璃表面的化学键发生断裂，变为反应活性性更好的O和OH基团。
材料表面存在自由基，它会结合放电产生的活性离子，在材料表面引入强反应性极性基团。羟基或羧化常发生在生成的自由基的位置上，将含氧基团引入到硅/玻璃表面以增强表面反应性。

（3）表面性能对键合的影响
经过等离子体活化后的材料表面具有更好的表而性能。等离子清洗材料表面，去除了大量杂质，这使得在键合时键合界面不会被杂质阻隔，有着更大的接触面积。同时材料表面引入了大量活性基团，这些基团直接存在在相互作用力，可以拉近键合界面之间的距离，增强电场力，促进键合产生。

当硅/玻璃键合表面被空气中等离子体活化处理后，等离子形成的种类繁多的活性粒子，这些活性离子在粒子的作用下具有1-10ev的能量，在与硅/玻璃晶片的表面发生碰撞时，表面存在的SI-O键（键能约3.8ev）、H-O键（键能约5ev）、H-H键（键能约0.2-0.3ev）、等化学键打开，形成大量具有活性的悬挂键，使得材料表面除了传统键合反应外，键合界面的羟基还将发生脱水缩合反应：

Si-OH+OH-Si→Si-O-Si+H2O (1-1)

相比未活化的界面，经过等离子体活化处理后的键合表面将会发生更多的键合反应，将形成成更多的键合点，而阳极键合是有点及面的键合反应，因此这将会促进阳极键合的完成。

低温等离子体清洗材料表面的杂质，打断材料表面化学键，引入极性基团，改善了材料表面性能。

键合界面接触后，通过毛细力、氢键及范德华力拉近，由于活化后材料表面存在极性基团，它们拉近键合材料表面的距离。界面间存在的水分子发生化学反应可以形成Si-OH，同时水分子在间隙中扩散，形成了许多氢键在此时逐渐形成。其余的水分子一部分逐渐沿缝隙中释放出来，一部分进入材料基体，从而进一步缩小材料间的距离，此时发生更多的脱水缩合反应，又进一步排除水分子，从而使反应式1-1不断正向进行，并且由于活化后材料表面存在大量OH以及悬挂键，界面间得到更多的Si-O-Si，从而大幅提升界面强度。反应进行到这时，键合界面中多余的水分子基本消除，脱水反应也接近尾声，数量更多的键合点己经形成。此时，键合界面的接触面积在此时会影响键合的进一步发展，而活化后的表面杂质被清除，表面变光滑，两侧接触面积更高，键合进一步发展，键合能就更大，键合效果更好。以上原因使得较低的键合温度下能够形成有效的键合。这就是界面活化促使低温键合实现的根本原因。