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引言
鍵合能在晶片鍵合過程中起著重要的作用，并研究了鍵能的溫度依賴性，以了解各種玻璃在硅/玻璃界面上的物理/化學(xué)相互作用。一些主要的玻璃屬性，如表面粗糙度、楊氏模量、應(yīng)變點、CTE和玻璃成分，已被評估為與成鍵能相關(guān)，雖然其他屬性已被證明對粘合能不顯著，但已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了與玻璃表面粗糙度、玻璃的應(yīng)變點和玻璃中的堿性含量有顯著的相關(guān)性。
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實驗
用6英寸的硅和玻璃晶片制作粘合對進(jìn)行測量，硅晶片均為優(yōu)質(zhì)（100）p型和單側(cè)拋光，一些玻璃晶圓經(jīng)過拋光，而康寧1737玻璃、鷹XG玻璃和玉玻璃沒有拋光，因為它們最初是由康寧專利的融合繪制工藝由薄片形成的，然后編織成晶片。在每兩個退火過程之間，重新測量粘合能，直到刀片在測量過程中打破玻璃。
用稀釋的HF清洗硅片以去除天然氧化物，去離子臭氧水去除有機物，用稀釋的NH4OH/?H2O2混合物去除金屬污染物，用稀釋的NH4OH/?H2O2混合物和去離子臭氧水清洗玻璃晶片，一旦晶片被清洗，就遵循晶片粘合過程，形成粘合對，粘接過程是在一個受控的環(huán)境下，即100級潔凈室設(shè)施下，在室溫下進(jìn)行的。硅粘合到玻璃上后，粘合對加載到一個定制的大氣陽極粘結(jié)器上，而不是熱板。粘結(jié)器由頂部和底部的加熱板組成，在退火過程中，兩個板都以中等的力接觸粘合對，這足以保持對。因此，在成鍵對之間的溫度分布非常均勻，溫度坡道非常穩(wěn)定和可控，超調(diào)溫度總是小于目標(biāo)溫度的3%。在退火過程中沒有施加任何電壓。
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結(jié)果與討論
在用濕化學(xué)方法清洗玻璃之前，用非接觸式Zygo輪廓儀測量了玻璃的表面粗糙度，只有康寧1737年玻璃、鷹XG玻璃和翡翠玻璃是熔合畫玻璃，其他的眼鏡都被拋光了。根據(jù)測量結(jié)果，石英和Pyrex的表面粗糙度比其他玻璃要高得多（圖2）。清洗后，所有玻璃在表面均表現(xiàn)出微粗化效應(yīng)。換句話說，所有玻璃的表面粗糙度都增加了（圖3）。
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圖2
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圖3
在清洗過程中仍然是最粗糙的，石英仍然是第二粗糙的。清潔玻璃表面的化學(xué)成分似乎對吡咯酮有最顯著的粗化效應(yīng)，因為均方根增加了7A。相比之下，石英似乎在清潔過程中保持完整，石英表面幾乎沒有粗糙化。康寧的熔合畫玻璃對濕化學(xué)清洗過程的耐化學(xué)性能優(yōu)于除石英以外的其他玻璃。
硅和玻璃晶片清洗后，它們在室溫下粘合。在100oC、150oC、200oC、250oC和300oC退火后，在室溫下測量每個鍵對的鍵能。對于大多數(shù)鍵對，鍵能超過了300oC以下的玻璃彈性能。因此，當(dāng)兩個基片試圖裂開時，玻璃基板破裂了，在這種情況下，粘合被認(rèn)為是“有一定的”的玻璃厚度。玻璃的厚度分別為0.5mm或0.63mm，并進(jìn)行了粘接。
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圖4
根據(jù)鍵能隨溫度的變化，鈉石灰玻璃在最低溫度150oC時完成了與硅晶片的鍵能，鍵能最高（圖4）。硼合金玻璃和康寧1737年玻璃的粘合能第二高。然而，硼合金玻璃在200oC處完成了粘合，而康寧1737玻璃直到250oC才完成粘合。它們在較低的溫度下具有非常相似的成鍵能，但在150oC時開始偏離。蘇石灰浮法玻璃（即傳統(tǒng)浮法玻璃或現(xiàn)代窗玻璃）是堿堿土硅酸鹽玻璃家族的成員。這種玻璃沒有
含有任何硼化合物。相反，它的堿土含量為12-16%，并且含有更高的堿堿比例(約。15%氧化鈉)比硼。在這三種表面粗糙度相似的玻璃中，玻璃中堿性含量越高，結(jié)合能越高，鍵完成溫度越低。鷹XG玻璃和玉玻璃的表面粗糙度與前三種玻璃的表面粗糙度大致相同，但粘合能較低。鷹XG玻璃和玉玻璃的粘合能曲線在200oC以下幾乎重疊，但鷹XG玻璃在較高的溫度下完成了粘合。眾所周知，鷹XG玻璃和玉玻璃的堿性含量都低于蘇打水、硼礦和康寧1737玻璃。石英在粘合前的表面比上述玻璃稍粗糙。因此，可以理解石英的成鍵鍵合能較低是可以理解的。石英的粘合能曲線實際上與100oC以下的鷹XG玻璃和玉玻璃的曲線幾乎重疊。當(dāng)溫度上升到150oC時，石英和其他兩種玻璃之間的鍵能差開始變?yōu)樾盘?/span>
其他玻璃屬性，如應(yīng)變點、CTE和楊氏模量已經(jīng)被評估，以證明與鍵能的相關(guān)性。表一列出了正在研究的眼鏡的所有三個物理屬性。顯然，成鍵能與楊氏模量和CTE之間沒有顯著的依賴性。在上?另一方面，我們發(fā)現(xiàn)玻璃的應(yīng)變點與粘合能成反比。已知應(yīng)變點和堿性含量是相互關(guān)聯(lián)的。通常，應(yīng)變點隨著玻璃中堿性含量的增加而降低。Pyrex再次異常，因為表面粗糙度主導(dǎo)著鍵能。
與硅對硅（Si/硅）晶圓粘合相比，已經(jīng)觀察到硅對玻璃（Si/玻璃）晶圓鍵合在溫度上非常明顯的鍵合動力學(xué)。親水鍵的Si/玻璃對在較低的150-300oC溫度范圍內(nèi)形成非常強的鍵，而Si/Si鍵對直到800oC才完成鍵。對楊氏模量和CTE進(jìn)行了評估，發(fā)現(xiàn)它們對成鍵能沒有貢獻(xiàn)。另一方面，玻璃的表面粗糙度、應(yīng)變點和堿性含量顯著占鍵能。眾所周知，在硅/硅晶圓鍵合中，表面粗糙度的貢獻(xiàn)是重要的。然而，玻璃中堿性含量增強成鍵能的機理尚未得到研究。由此可見，獲得高粘合能的前提因素是表面光滑，即表面粗糙度低，而玻璃中的堿性含量可以隨著溫度的升高而進(jìn)一步增強粘合能。堿金屬和/或堿土隨著基底溫度的升高而被動員起來。