碳化硅等離子表面處理

碳化硅具有相對于其他高溫材料較低的平均熱膨脹系數(shù)、高熱導(dǎo)率以及耐超高溫等特點(diǎn)，因此在高頻、大功率、耐高溫、抗輻照的半導(dǎo)體器件及紫外探測器等應(yīng)用方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

SiC 的鍵合是微加工工藝中非常重要的一個(gè)步驟，同時(shí)也是 MEMS 制造領(lǐng)域的難題之一。對于SiC 的直接鍵合而言，解決了在高溫環(huán)境下的不同材料鍵合的熱膨脹系數(shù)不匹配以及電學(xué)特性等問題，而且可以利用 SiC 的異構(gòu)體直接鍵合來制造異質(zhì)結(jié)器件。相比于同質(zhì)結(jié)，異質(zhì)結(jié)的器件有著許多的優(yōu)點(diǎn)。例如，異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)管能比肖特基晶體管獲得更低的漏電流; 異質(zhì)結(jié)雙極晶體管提高了發(fā)射效率，減小了基區(qū)電阻，提高了頻率響應(yīng)和更寬的可工作溫度范圍。

在影響直接鍵合的因素中，表面處理對鍵合起著非常關(guān)鍵的作用，它的處理效果將直接影響鍵合是否能夠發(fā)生以及鍵合后的界面效果，因?yàn)榭赡芪皆诰砻娴奈廴疚铩⒕砻娴牟黄秸龋罱K都可能導(dǎo)致鍵合空洞的產(chǎn)生以及會(huì)不同程度地影響晶片表面的力學(xué)和電學(xué)特性等。目前關(guān)于 SiC 的表面處理方法，主要包括傳統(tǒng)濕法處理、高溫退火處理及 等離子體處理等方法。其中傳統(tǒng)濕法清洗處理主 要是從硅的濕法處理演變而來，其主要包括HF 法和ＲCA 法。每種處理方法有著各自的特點(diǎn)。例如，濕法處理步驟簡單易實(shí)現(xiàn)，但處理結(jié)果中含有 C、O、F 等污染物；高溫處理可以有效地去除含 C、O 等污染物，但處理溫度需要進(jìn)一步優(yōu)化且后續(xù)工藝兼容性差；等離子處理可以有效地去除含 O、F 等污染物，但處理溫度和時(shí)間不當(dāng)會(huì)給表面帶來離子損傷且使SiC 表面重構(gòu)。針對上述表面處理方法的特點(diǎn)，采用濕法清洗方法和氧氣和氬氣等離子體處理晶片，最后利用熱壓法在相對于 SiC 熔點(diǎn)的低溫低壓下實(shí)現(xiàn)了SiC 的直接鍵合，并且取得了理想的鍵合效果。

等離子表面處理設(shè)備處理

實(shí)驗(yàn)采用等離子體進(jìn)行進(jìn)一步的處理，降低晶片的粗糙度提高晶片的活化程度，可以獲得更理想的適用于直接鍵合的晶片。

根據(jù)固體表面與外來物鍵合的理論可得，晶片表面存在大量的非飽和鍵時(shí)，則容易和外來物相鍵合。采用各種等離子體對晶片的處理，可以改變其表面的親水性、吸附性等特征。其中等離子體表面激發(fā)技術(shù)，只會(huì)改變晶片表面層，而不會(huì)改變材料本身性質(zhì)，包括力學(xué)、電學(xué)和機(jī)械特性，并且采用等離子體處理具有無污染、工藝簡單、快速和高效等特點(diǎn)。通過多次實(shí)驗(yàn)，得到了分別采用氧氣和氬氣的具體處理方案，在后期的鍵合過程中都取得了成功。氧氣和氬氣都是非聚合性氣體，利用等離子體與晶片表面的二氧化硅層表面相互作用后，活性原子和高能電子破壞了原來的硅氧鍵結(jié)構(gòu)，使其轉(zhuǎn)變?yōu)榉菢?nbsp;鍵，表面活化，并且造成和活性原子的電子結(jié)合能向 更高能量方向移動(dòng)，從而使其表面存在有大量的懸掛鍵，同時(shí)這些懸掛鍵以結(jié)合OH 基團(tuán)的形式存在，形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。在經(jīng)過有機(jī)堿或無機(jī)堿浸泡和一定溫度退火后，表面的Si－OH 鍵脫水聚合形成硅氧鍵，增加了晶片表面的親水性，從而更加有利于晶片的鍵合。對于材料的直接鍵合來說，親水性的晶片表面比疏水性的晶片表面在自發(fā)鍵合方面更具有優(yōu)勢。