等离子体活化键合（Plasma-activated bonding）是直接键合技术的一种变体，旨在降低具有親水表面的工艺温度。降低直接键合温度的主要需求源于低熔点材料的使用，以及具有不同热膨胀系数（CTE）材料的异质集成。

键合前的表面活化具有典型优势，即无需中间层，且在低于400 °C的温度下进行退火后即可获得足够高的键合能。

概述
温度的降低基于利用等离子体活化增强洁净晶圓表面的键合强度。此外，这种强度的提升归因于Si-OH基团数量的增加、晶圆表面污染物的去除、表面层粘滞流的增强，以及界面处截留的水和气体的扩散率提升。根据的不同，等离子体预处理晶圆以降低退火温度主要分为两个表面活化领域。为了在低温（2+20%体积分数O2）
#** 氧气（O2）
#* 玻璃或LiTaO3使用的工艺气体
#** Ar/H2（90%体积分数Ar+10%体积分数H2）
#** 湿氧（O2dH2O）

去离子水冲洗

#* 处理时间10分钟
#* 降低颗粒浓度

室温预键合

退火（室温至400°C）

等离子体处理的最佳混合气体取决于退火温度。此外，等离子体处理适用于防止退火过程中的键合缺陷。

如果使用玻璃，由于其表面粗糙度较高，冲洗后需要进行化学机械平坦化（CMP）步骤以提高键合质量。键合强度由断裂韧性表征，通过微人字槽测试确定。等离子体活化晶圆键合可以实现与体材料相当的断裂韧性。

介质阻挡放电（DBD）
使用可以在常压下产生稳定的等离子体。为了避免电火花，必须在一个或两个电极上固定介電質。电极的形状与衬底几何形状相似，以覆盖整个表面。具有单电介质阻挡层的常压活化原理如“介质阻挡放电示意图”所示。

活化设备由作为晶圆载体的接地顶部吸盘和涂有氧化铟锡（ITO）的玻璃电极组成。此外，玻璃衬底用作电介质阻挡层，放电由电晕发生器驱动。

低压等离子体活化键合（LP-PAB）
低压等离子体活化键合在细真空（0.1–100 Pa）下以连续气流运行。该程序需要：

• 真空
• 工艺气体
• 两个电极之间的高频（HF）电场

暴露于等离子体的表面通过离子轰击和通过自由基产生的化学反应被活化。大气中的电子在正電壓期间向高频电极移动。高频电极最常用的频率是13.56 MHz。

此外，电子无法在施加电压的正半周内离开电极，因此负电极充电至1000V（偏压）。电极和吸盘之间的间隙充满了等离子体气体。大气中移动的电子撞击等离子体气体原子并击出电子。由于其正向取向，无法跟随高频电场的巨大离子移动到放置晶圆的负电极。在这些环境下，表面活化基于撞击离子和自由基与晶圆表面的相互作用。]]
RIE模式用于干法刻蚀工艺，通过减少参数（即高频功率），该方法可用于表面活化。

连接到高频发生器的电极用作晶圆的载体。随后，晶圆表面因电子而带负电，并吸引等离子体的正离子。等离子体在RIE反应器中激发。

使用氮气和氧气作为工艺气体可实现最大键合强度，并且在250 °C下退火后，在晶圆上具有足够高的均匀分散。键合能量特征大于在相同温度下退火的非活化参考晶圆的200%。与高温键合晶圆对相比，表面活化晶圆对的键合能量低15%。在350 °C下退火产生的键合强度与高温键合相似。

顺序等离子体（SPAB）
晶圆先进行短时间RIE等离子体活化，然后在同一个反应室中进行自由基处理。额外的微波源和离子阱金属板用于产生自由基。等离子体对表面的作用从化学/物理处理转变为化学等离子体处理。这是基于表面自由基和原子之间的反应。

技术规范
参考