等離子體活化清洗對(duì)硅/玻璃鍵合的影響

文章出處：等離子清洗機(jī)廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發(fā)表時(shí)間：2023-01-03

等離子體是物質(zhì)繼固態(tài)，液態(tài)和氣態(tài)之后的第四種狀態(tài)。當(dāng)施加的電壓達(dá)到擊穿電壓時(shí)，氣體分子被電離產(chǎn)生電子，離子，原子和原子團(tuán)的混合物。同時(shí)，還會(huì)發(fā)生各種復(fù)雜的物理和化學(xué)反應(yīng)，例如離子分子反應(yīng)，電子碰撞反應(yīng)，發(fā)光，光電離等。

等離子體活化對(duì)材料表面性能的影響

（1）去除材料表面雜質(zhì)
待鍵合的材料表面并不是理想的光滑平面，其表面附著雜質(zhì)和氧化物。當(dāng)材料表面雜質(zhì)較多，較大時(shí)，在鍵合過程中會(huì)起到阻礙作用。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)材料表面雜質(zhì)得到處理后，可以大幅縮短鍵合所需的時(shí)間。這意味著，去除雜質(zhì)可以使得陽極鍵合更容易也更快的進(jìn)行。因此，表面雜志的處理對(duì)于鍵合而言是非常重要的。

等離子體活化可以去除材料表面的雜質(zhì)，當(dāng)材料表面存在雜質(zhì)時(shí)，高能粒子直接作用于材料表面的雜質(zhì)，破壞去除雜質(zhì)，對(duì)材料表面起到了清洗作用，改善了材料表面條件。

（2）對(duì)材料表面化學(xué)活性的影響
玻璃制作時(shí)，硅酸鹽以O(shè)H的形式存在，與氫原子連接或獨(dú)立存在。當(dāng)采用等離子體對(duì)表面處理時(shí)，產(chǎn)生了大量的放電微通道，此時(shí)這些微通道內(nèi)的高能粒子直接作用于玻璃表面，大量粒子不斷與材料表面碰撞消散，介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生的低溫等離子體的電子能量在4-5ev的范圍內(nèi)，足以破壞氫鍵能（0.2-0.3ev）。因此，當(dāng)產(chǎn)生的等離子作用于玻璃表面時(shí)，玻璃表面的化學(xué)鍵發(fā)生斷裂，變?yōu)榉磻?yīng)活性性更好的O和OH基團(tuán)。
材料表面存在自由基，它會(huì)結(jié)合放電產(chǎn)生的活性離子，在材料表面引入強(qiáng)反應(yīng)性極性基團(tuán)。羥基或羧化常發(fā)生在生成的自由基的位置上，將含氧基團(tuán)引入到硅/玻璃表面以增強(qiáng)表面反應(yīng)性。

（3）表面性能對(duì)鍵合的影響
經(jīng)過等離子體活化后的材料表面具有更好的表而性能。等離子清洗材料表面，去除了大量雜質(zhì)，這使得在鍵合時(shí)鍵合界面不會(huì)被雜質(zhì)阻隔，有著更大的接觸面積。同時(shí)材料表面引入了大量活性基團(tuán)，這些基團(tuán)直接存在在相互作用力，可以拉近鍵合界面之間的距離，增強(qiáng)電場力，促進(jìn)鍵合產(chǎn)生。

當(dāng)硅/玻璃鍵合表面被空氣中等離子體活化處理后，等離子形成的種類繁多的活性粒子，這些活性離子在粒子的作用下具有1-10ev的能量，在與硅/玻璃晶片的表面發(fā)生碰撞時(shí)，表面存在的SI-O鍵（鍵能約3.8ev）、H-O鍵（鍵能約5ev）、H-H鍵（鍵能約0.2-0.3ev）、等化學(xué)鍵打開，形成大量具有活性的懸掛鍵，使得材料表面除了傳統(tǒng)鍵合反應(yīng)外，鍵合界面的羥基還將發(fā)生脫水縮合反應(yīng)：

Si-OH+OH-Si→Si-O-Si+H2O (1-1)

相比未活化的界面，經(jīng)過等離子體活化處理后的鍵合表面將會(huì)發(fā)生更多的鍵合反應(yīng)，將形成成更多的鍵合點(diǎn)，而陽極鍵合是有點(diǎn)及面的鍵合反應(yīng)，因此這將會(huì)促進(jìn)陽極鍵合的完成。

低溫等離子體清洗材料表面的雜質(zhì)，打斷材料表面化學(xué)鍵，引入極性基團(tuán)，改善了材料表面性能。

鍵合界面接觸后，通過毛細(xì)力、氫鍵及范德華力拉近，由于活化后材料表面存在極性基團(tuán)，它們拉近鍵合材料表面的距離。界面間存在的水分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)可以形成Si-OH，同時(shí)水分子在間隙中擴(kuò)散，形成了許多氫鍵在此時(shí)逐漸形成。其余的水分子一部分逐漸沿縫隙中釋放出來，一部分進(jìn)入材料基體，從而進(jìn)一步縮小材料間的距離，此時(shí)發(fā)生更多的脫水縮合反應(yīng)，又進(jìn)一步排除水分子，從而使反應(yīng)式1-1不斷正向進(jìn)行，并且由于活化后材料表面存在大量OH以及懸掛鍵，界面間得到更多的Si-O-Si，從而大幅提升界面強(qiáng)度。反應(yīng)進(jìn)行到這時(shí)，鍵合界面中多余的水分子基本消除，脫水反應(yīng)也接近尾聲，數(shù)量更多的鍵合點(diǎn)己經(jīng)形成。此時(shí)，鍵合界面的接觸面積在此時(shí)會(huì)影響鍵合的進(jìn)一步發(fā)展，而活化后的表面雜質(zhì)被清除，表面變光滑，兩側(cè)接觸面積更高，鍵合進(jìn)一步發(fā)展，鍵合能就更大，鍵合效果更好。以上原因使得較低的鍵合溫度下能夠形成有效的鍵合。這就是界面活化促使低溫鍵合實(shí)現(xiàn)的根本原因。