基于真空紫外光表面活化的碳化硅晶圆低温直接键合研究

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1、硕士学位论文基于真空紫外光表面活化的碳化硅晶圆低温直接键合研究LOW-TEMPERATUREDIRECTBONDINGOFSiCWAFERSVIAVACUUMULTRAVIOLETSURFACEACTIVATION王源哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TN405学校代码：10213国际图书分类号：621.3密级：公开↑↑（宋体小4号字）（宋体小4号字）工学硕士学位论文↑（宋体小2号字加粗）基于真空紫外光表面活化的碳化硅晶圆低温直接键合研究（黑体2号字）硕士研究生：王源：导师：王晨曦：副教授申请学位：工学硕

2、士：学科：材料加工工程：所在单位：材料科学与工程学院：答辩日期：201：8年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学：ClassifiedIndex:TN405（TimesNewRoman小4字）U.D.C:621.3（TimesNewRoman小4字）DissertationfortheMasterDegreeinEngineering↑（TimesNewRoman小2号字）LOW-TEMPERATUREDIRECTBONDINGOFSiCWAFERSVIAVACUUMULTRAVIOLETSURFACEACTIVATI

3、ON（TimesNewRoman2号字加粗，题目太长时可用小2号字）Candidate：WangYuanSupervisor：AssociateProf.WangChenxiAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：MaterialsProcessingEngineeringAffiliation：SchoolofMaterialsScienceandEngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Conferri

4、ng-Institution：HarbinInstituteofTechnology（TimesNewRoman4号字）哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要碳化硅作为一种性质优异的第三代半导体材料，具有高热导率，高临界电场和高饱和电子漂移速度等优势，能够在高温、高频、大功率电子和极端条件下实现高质量和高可靠性的应用。然而，碳化硅本身物理化学性质稳定，机械加工困难，异质集成能够综合多种异质材料的优势，为拓展碳化硅的应用提供了新途径。碳化硅的异质集成方法中，晶圆键合能够克服沉积薄膜不均匀和外延生长晶格不匹配的问题，近年来

5、受到研究者的广泛关注。真空紫外光（VUV）活化键合法是通过极短波长的真空紫外光（波长110-180nm）照射对晶圆表面进行清洁活化来实现键合的低温键合方法，具有低成本、简单易行、对材料损伤小、绿色环保等优势。本文采用真空紫外光表面活化键合方法，选取光照时间、键合气氛湿度、退火温度作为工艺参数变量，有效键合面积和键合强度作为评价键合质量的依据，得到硅/SiC、氧化硅/SiC、石英/SiC的低温直接键合的最佳工艺参数，结合真空紫外光对材料表面影响的分析结果和对键合界面的表征结果建立键合机理模型。研究结果表明：在VUV照

6、射时间25min，键合气氛湿度15%-20%，阶梯式加压退火，最高退火温度150℃下，可实现硅/SiC非洁净间环境直接键合，有效键合面积达到近90%，键合强度达到近2.5MPa。在VUV照射时间25min，键合气氛湿度5%-10%，阶梯式加压退火，最高退火温度250℃下，可实现氧化硅/SiC非洁净间环境直接键合，有效键合面积达到近80%，键合强度超过5MPa。在VUV照射时间25min，键合气氛湿度20%-30%，阶梯式加压退火，最高退火温度150℃下，可实现石英/SiC非洁净间环境直接键合，有效键合面积达到近90

7、%，键合强度约为2.6MPa，同时保持良好的透光率。对硅/SiC、氧化硅/SiC、石英/SiC键合界面进行透射电镜分析得出，键合界面连续无孔隙，实现了原子级连接，界面处有厚度为6-10nm的富碳过渡层。通过对光照前后材料表面变化分析，得出真空紫外光（172nm）可以去除SiC及硅基晶圆表面的污染物，改善晶圆表面亲水性，且不会对材料基体造成-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文结构损伤。通过X射线光电子能谱测试得到，键合界面富集的碳是经VUV照射处理后，SiC表面Si-C键断裂形成游离碳聚集的结果。基于真空紫外光对材料

8、表面的相互作用及实验结果，建立了应用真空紫外光处理SiC晶圆表面低温直接键合模型。室温键合阶段，晶圆表面亲水基团通过氢键连接水分子，在键合界面起桥接作用，退火阶段，键合界面水分子扩散与材料基体反应生成氧化物，同时基体材料受热膨胀，在外界压力作用下，高表面硬度的SiC及水分子的软化作用使硅基材料表面受压变形，键合界面接触面积增大，更多羟基基团发生脱水反应形成稳