大气氛围低温Au-Au薄膜键合的表面活化处理研究_陈孔杰.pdf

第 43卷 第 1期2023年 3月光 电 子 技 术OPTOELECTRONIC TECHNOLOGYVol.43 No.1Mar.2023大气氛围低温 Au-Au薄膜键合的表面活化处理研究陈孔杰1，聂君扬1，罗灿琳1，周雄图1，2，孙捷1，2，严群1，2，吴朝兴1，2，张永爱1，2（1.福州大学 物理与信息工程学院，福州 350108；2.中国福建光电信息科学与技术创新实验室，福州 350108）摘 要：提出了一种在大气氛围和低温条件下实现 Au-Au薄膜的金属键合技术，研究了不同表面活化处理时间对 Au-Au薄膜表面粗糙度、Au-Au薄膜的键合质量和可靠性的影响。实验结果表明，Au薄膜表面粗糙度随着表面活化处理时间的增加先减少后增大，当表面活化处理时间为 20 min 时，Au 薄膜表面粗糙度均方根为 6.9 nm，悬挂键数量和粗糙度达到一个相对平衡的关系，Au-Au薄膜键合后的平均剪切强度为 131.8 MPa，最大剪切强度高达 159.1 MPa。因此，Au薄膜表面理想的表面活化处理时间可有效地提高 Au-Au 薄膜键合质量和稳定性，为实现混合集成Micro-LED器件的低温金属键合提供理论指导。关键词：薄膜键合；表面活化处理；粗糙度；剪切强度；微米级发光二极管器件中图分类号:TN405 文献标志码:A 文章编号:1005-488X(2023)01-0042-06Study on Surface Activation Treatment of AuAu Thin Film Bonding at Low Temperature in Atmospheric AtmosphereCHEN Kongjie，NIE Junyang，LUO Canlin，ZHOU Xiongtu，SUN Jie，YAN Qun，WU Chaoxing，ZHANG Yongai(1.College of Physics and Information Engineering,Fuzhou University,Fuzhou350108,CHN；2.Fu-jian Science&Technology Innovation Laboratory for Optoelectronic Information of China,Fu-zhou350108,CHN)Abstract：A metal bonding technology was proposed for Au-Au thin films under atmospheric and low temperature conditions.And the effect of activation treatment time on the surface roughness of Au-Au films，the bonding quality and reliability of Au-Au films were studied.The experimental re-sults showed that the surface roughness of the Au film first decreased and then increased with the in-DOI：10.19453/ki.1005-488x.2023.01.007收稿日期：2022-06-29基金项目：国家重点研发计划(2021YFB3600104)；闽都创新实验室自主部署项目(2021ZZ111,2021ZZ130)作者简介：陈孔杰（1997），男，硕士研究生，研究方向为 Micro-LED显示技术；（E-mail:）聂君扬（1991），男，博士研究生，研究方向为半导体技术 Micro-LED显示技术；罗灿琳（1999），女，硕士研究生，研究方向为 Micro-LED显示技术；张永爱（1977），男，研究员，博士生导师，主要研究方向为 Micro-LED 显示和纳米像元电致发光（NLED）显示技术。（E-mail:）通讯作者研究与试制第 1期陈孔杰，等：大气氛围低温 Au-Au薄膜键合的表面活化处理研究crease of the surface activation treatment time.When the surface activation treatment time reached 20 min，the root mean square of the surface roughness of the Au film was 6.9 nm，the number of dan-gling bonds and the roughness could achieve a relatively balanced relationship，the average shear strength of the Au-Au film after bonding was 131.8 MPa，and the maximum shear strength was as high as 159.1 MPa.Therefore，the ideal surface activation treatment time of Au film surface could ef-fectively improve the bonding quality and stability of Au-Au film，and provide theoretical guidance for the realization of low-temperature metal bonding of hybrid integrated Micro-LED devices.Key words：thin film bonding；surface activation treatment；roughness；shear strength；Micro-LED devices引 言近 年 来，异 质 集 成 微 型 发 光 二 极 管（Micro-Light Emitting Diode,Micro-LED）显 示 技术 备 受 瞩 目，通 过 倒 装 芯 片 键 合 技 术 将 单 片 式Micro-LED 芯片与硅基驱动背板完成封装互联1。但随着 Micro-LED 器件阵列像素尺寸不断缩小，倒装芯片键合技术的键合良率和可靠性面临巨大挑战2,3。在 大 规 模、低 成 本 生 产 超 高 分 辨 率Micro-LED 器件方面，晶圆级键合工艺被广泛用于制备超高集成度有源驱动 Micro-LED 器件3。目前，金属共晶键合和粘合剂键合被应用于晶圆级键合工艺制备 Micro-LED 器件4-6。然而，由于现阶段Micro-LED 器件的键合工艺尚不成熟，无法对窄间距、超高密度（2 000 PPI）的 Micro-LED 器件进行有效底部填充，因此在 Micro-LED 器件制备完成后，通过键合工艺后的金属会部分暴露在空气中，金属共晶键合接触界面产生复杂金属间化合物；同时受空气接触和器件长时间高频率的工作条件影响，键合界面变得十分脆弱，从而影响器件寿命7-9。粘合剂键合由于温度稳定性和封装气密性较差，在完成器件制备后，受工作环境中温度和水氧成分等因素的影响，器件的老化失效会加速9。因此，引入单一金属 Au-Au薄膜键合技术，可以有效避免外界环境影响、金属间化合物的形成以及其它降低键合强度的机制等风险10,11。然而单一金属热压扩散键合需要在真空环境和较高的温度（350 600）下完成9。对 Micro-LED 温度敏感型器件，高温键合会损伤器件性能，且真空环境对设备要求较高。Au具有很强的抗氧化和耐腐蚀能力12，在大气氛围中 研 究 高 质 量 的 低 温 Au-Au 薄 膜 键 合 技 术，对Micro-LED器件研究有实用价值。Au-Au 表面活化技术是实现低温键合的重要手段13-18。利用等离子体轰击 Au薄膜表面，能有效地清除表面残留的细微污染物和杂质，并产生大量金属悬挂键增大表面能，使其处于不稳定状态，经过原子重组从而使表面能降低19。现阶段，研究人员通过表面活化处理可在大气氛围中低温下实现切强度为 4070 MPa的 Au-Au薄膜键合15,16,20。此外，研究人员发现，对比氩等离子体处理，氧等离子体处理后有更好的表面自由能，更有效促进 Au-Au键合质量21,22。研究还发现在相同表面活化处理条件下，不同 Au 薄膜厚度对键合质量也有较大影响12。然而，目前对于 Au薄膜表面不同程度的氧等离子体活化处理对键合质量及可靠性的影响还有待进一步详细研究。因此，文章利用热蒸镀法分别在 GaN 外延片和Si 衬底表面沉积金属 Au 薄膜，研究了大气氛围和低温条件下不同表面活化处理时间与 Au-Au 薄膜表面粗糙度，以及表面活化时间对 Au-Au薄膜的键合质量、键合截面和可靠性的影响，探索了金属 Au薄膜表面粗糙度和金属悬挂键数量对键合质量和可靠性的影响规律，为实现超高分辨率 Micro-LED器件中的晶圆级键合工艺提供了技术支持。1 实验过程1.1外延片清洗实验所用晶片是利用金属有机化合物化学气相 沉 积（Metal organic chemical vapor deposition,MOCVD）在 10 cm 蓝宝石衬底外延生长 GaN 蓝光外延片和商用 10 cm 单面抛光 Si片。蒸镀金属薄膜之前使用 RCA 标准清洗法对晶片进行清洗和甩干后立刻转移至蒸镀设备的真空腔内，避免空气对其造成二次污染。43光 电 子 技 术第 43卷1.2蒸镀 Au薄膜利用富临蒸镀机分别在外延片和 Si 片上依次蒸镀 Cr/Al/Ti/Pt/Au 金属层，具体参数如图 1(a)和图 1(b)所示。Cr/Al/Ti/Pt 作为打底金属层的作用包括：（1）增加 Au 薄膜与衬底的粘附性，提高金属键合质量；（2）形成良好的欧姆接触，提升芯片堆叠中电流的输入和输出。将蒸镀完金属的外延片衬底减薄至 300 m，并划裂为 2 mm2 mm 的样品备用；硅片直接划裂为 16 mm13 mm 的样品备用。1.3表面活化处理将样品依次用丙酮、异丙醇和乙醇溶液超声清洗 600 s，然后使用去离子水冲洗 90 s，最后用氮气吹干。利用氧等离子体处理对样品表面进行活化处理，如图 1(c)示。由于功率过高的氧等离子体处理容易对 Au 薄膜表面的结构造成损伤，功率太低表面活化处理效果较差。因此，根据实验结果，本实验通过选择优化后的恒定功率（200 W）来研究不同表面活化处理时间对 Au-Au 薄膜键合质量和可靠性的影响，具体工艺参数如表 1所示。1.4Au-Au薄膜键合利用热压机将制备好的镀金外延片（2 mm2 mm）和镀金硅片（16 mm13 mm）在大气氛围中低温键合，如图 1(d)所示。在键合温度 180，键合压强 12 MPa的条件下键合 30 min，因为在该温度和压强条件下有利于 Au 原子更快的扩散，且不会对外延 层 的 结 构 和 功 能 造 成 损 伤，极 大 提 高 了 键 合效率。2 结果与讨论2.1表面粗糙测试采用原子力显微镜（Atomic force microscope，AFM）对 Au 薄膜表面活化处理前、表面活化处理10 min、20 min 和 40 min 的样品表面进行了形貌表征，实验结果如图 2所示。Au薄膜表面活化未处理时，薄膜粗糙度均方根（Root mean square，RMS）为6.61 nm；随着处理时间的增加，Au 薄膜表面 RMS先减少再增加。Au 薄膜的 AFM 二维形貌如图 3（a）和三维形貌如图 3(b)。当 Au薄膜表面活化处理10 min 时，能有效清除金薄膜表面有机清洗残留的污染物和细微的金属颗粒，降低金薄膜表面的粗糙度，促进 Au薄膜的自键合。然而，随着表面活化处表 1表面活化处理工艺参数Tab.1Process pa