等離子體活化清洗對硅/玻璃鍵合的影響

文章出處：等離子清洗機廠家 | 深圳納恩科技有限公司| 發表時間：2023-01-03

等離子體是物質繼固態，液態和氣態之后的第四種狀態。當施加的電壓達到擊穿電壓時，氣體分子被電離產生電子，離子，原子和原子團的混合物。同時，還會發生各種復雜的物理和化學反應，例如離子分子反應，電子碰撞反應，發光，光電離等。

等離子體活化對材料表面性能的影響

（1）去除材料表面雜質
待鍵合的材料表面并不是理想的光滑平面，其表面附著雜質和氧化物。當材料表面雜質較多，較大時，在鍵合過程中會起到阻礙作用。研究發現，當材料表面雜質得到處理后，可以大幅縮短鍵合所需的時間。這意味著，去除雜質可以使得陽極鍵合更容易也更快的進行。因此，表面雜志的處理對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，當材料表面存在雜質時，高能粒子直接作用于材料表面的雜質，破壞去除雜質，對材料表面起到了清洗作用，改善了材料表面條件。

（2）對材料表面化學活性的影響
玻璃制作時，硅酸鹽以OH的形式存在，與氫原子連接或獨立存在。當采用等離子體對表面處理時，產生了大量的放電微通道，此時這些微通道內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，介質阻擋放電產生的低溫等離子體的電子能量在4-5ev的范圍內，足以破壞氫鍵能（0.2-0.3ev）。因此，當產生的等離子作用于玻璃表面時，玻璃表面的化學鍵發生斷裂，變為反應活性性更好的O和OH基團。
材料表面存在自由基，它會結合放電產生的活性離子，在材料表面引入強反應性極性基團。羥基或羧化常發生在生成的自由基的位置上，將含氧基團引入到硅/玻璃表面以增強表面反應性。

（3）表面性能對鍵合的影響
經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，這使得在鍵合時鍵合界面不會被雜質阻隔，有著更大的接觸面積。同時材料表面引入了大量活性基團，這些基團直接存在在相互作用力，可以拉近鍵合界面之間的距離，增強電場力，促進鍵合產生。

當硅/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/玻璃晶片的表面發生碰撞時，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鍵合反應外，鍵合界面的羥基還將發生脫水縮合反應：

Si-OH+OH-Si→Si-O-Si+H2O (1-1)

相比未活化的界面，經過等離子體活化處理后的鍵合表面將會發生更多的鍵合反應，將形成成更多的鍵合點，而陽極鍵合是有點及面的鍵合反應，因此這將會促進陽極鍵合的完成。

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

鍵合界面接觸后，通過毛細力、氫鍵及范德華力拉近，由于活化后材料表面存在極性基團，它們拉近鍵合材料表面的距離。界面間存在的水分子發生化學反應可以形成Si-OH，同時水分子在間隙中擴散，形成了許多氫鍵在此時逐漸形成。其余的水分子一部分逐漸沿縫隙中釋放出來，一部分進入材料基體，從而進一步縮小材料間的距離，此時發生更多的脫水縮合反應，又進一步排除水分子，從而使反應式1-1不斷正向進行，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度。反應進行到這時，鍵合界面中多余的水分子基本消除，脫水反應也接近尾聲，數量更多的鍵合點己經形成。此時，鍵合界面的接觸面積在此時會影響鍵合的進一步發展，而活化后的表面雜質被清除，表面變光滑，兩側接觸面積更高，鍵合進一步發展，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現的根本原因。