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碳化矽等離子表面處理

碳化矽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,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 的键合是微加工工艺中非常重要的一个步骤,同时也是 MEMS 制造领域的难题之一。对于SiC 的直接键合而言,解决了在高温环境下的不同材料键合的热膨胀系数不匹配以及电学特性等问题,而且可以利用 SiC 的异构体直接键合来制造异质结器件。相比于同质结,异质结的器件有着许多的优点。例如,异质结场效应管能比肖特基晶体管获得更低的漏电流; 异质结双极晶体管提高了发射效率,减小了基区电阻,提高了频率响应和更宽的可工作温度范围。

在影響直接鍵合的因素中,表面處理對鍵合起著非常關鍵的作用,它的處理效果將直接影響鍵合是否能夠發生以及鍵合後的界面效果,因爲可能吸附在晶片表面的汙染物、晶片表面的不平整等,最終都可能導致鍵合空洞的産生以及會不同程度地影響晶片表面的力學和電學特性等。目前關于 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。其中传统湿法清洗處理主 要是从硅的湿法處理演变而来,其主要包括HF 法和RCA 法。每种處理方法有着各自的特点。例如,湿法處理步骤简单易实现,但處理结果中含有 C、O、F 等污染物;高温處理可以有效地去除含 C、O 等污染物,但處理温度需要进一步优化且后续工艺兼容性差;等离子處理可以有效地去除含 O、F 等污染物,但處理温度和时间不当会给表面带来离子损伤且使SiC 表面重构。针对上述表面處理方法的特点,采用湿法清洗方法和氧气和氩气等離子體處理晶片,最后利用热压法在相对于 SiC 熔点的低温低压下实现了SiC 的直接键合,并且取得了理想的键合效果。

等離子表面處理設備處理

实验采用等離子體进行进一步的處理,降低晶片的粗糙度提高晶片的活化程度,可以获得更理想的适用于直接键合的晶片。

根据固体表面与外来物键合的理论可得,晶片表面存在大量的非饱和键时,则容易和外来物相键合。采用各种等離子體对晶片的處理,可以改变其表面的亲水性、吸附性等特征。其中等離子體表面激发技术,只会改变晶片表面层,而不会改变材料本身性质,包括力学、电学和机械特性,并且采用等離子體處理具有无污染、工艺简单、快速和高效等特点。通过多次实验,得到了分别采用氧气和氩气的具体處理方案,在后期的键合过程中都取得了成功。氧气和氩气都是非聚合性气体,利用等離子體与晶片表面的二氧化硅层表面相互作用后,活性原子和高能电子破坏了原来的硅氧键结构,使其转变为非桥 键,表面活化,并且造成和活性原子的电子结合能向 更高能量方向移动,从而使其表面存在有大量的悬挂键,同时这些悬挂键以结合OH 基团的形式存在,形成稳定结构。在经过有机碱或无机碱浸泡和一定温度退火后,表面的Si-OH 键脱水聚合形成硅氧键,增加了晶片表面的亲水性,从而更加有利于晶片的键合。对于材料的直接键合来说,亲水性的晶片表面比疏水性的晶片表面在自发键合方面更具有优势。

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