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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、高熱導率以及耐超高溫等特點(diǎn)，因此在高頻、大功率、耐高溫、抗輻照的半導體器件及紫外探測器等應用方面具有廣闊的應用前景。
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不匹配以及電學(xué)特性等問(wèn)題，而且可以利用 SiC 的異構體直接鍵合來(lái)制造異質(zhì)結器件。相比于同質(zhì)結，異質(zhì)結的器件有著(zhù)許多的優(yōu)點(diǎn)。例如，異質(zhì)結場(chǎng)效應管能比肖特基晶體管獲得更低的漏電流; 異質(zhì)結雙極晶體管提高了發(fā)射效率，減小了基區電阻，提高了頻率響應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(zhù)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，因為可能吸附在晶片表面的污染物、晶片表面的不平整等，最終都可能導致鍵合空洞的產(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，主要包括傳統濕法處理、高溫退火處理及 等離子體處理等方法。其中傳統濕法清洗處理主 要是從硅的濕法處理演變而來(lái)，其主要包括HF 法和ＲCA 法。每種處理方法有著(zhù)各自的特點(diǎn)。例如，濕法處理步驟簡(jiǎn)單易實(shí)現，但處理結果中含有 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)間不當會(huì )給表面帶來(lái)離子損傷且使SiC 表面重構。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)現了SiC 的直接鍵合，并且取得了理想的鍵合效果。
實(shí)驗采用等離子體進(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。
根據固體表面與外來(lái)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(lái)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)和機械特性，并且采用等離子體處理具有無(wú)污染、工藝簡(jiǎn)單、快速和高效等特點(diǎn)。通過(guò)多次實(shí)驗，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(guò)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(lái)的硅氧鍵結構，使其轉變?yōu)榉菢?nbsp;鍵，表面活化，并且造成和活性原子的電子結合能向 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)這些懸掛鍵以結合OH 基團的形式存在，形成穩定結構。在經(jīng)過(guò)有機堿或無(wú)機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(lái)說(shuō)，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。
