亲水处理的机理

　　从键合工艺与键合机理看出，室温下硅片的贴合对整个键合过程都有重要作用。硅-硅直接键合的预键合工艺是依靠两个硅片的短程作用力（如H键）把两个硅片拉在一起，然后经过高温退伙过程使界面发生物理化学反应，形成键合强度很大的共价键。因此，预键合前，对硅片进行处理，使表面吸附－OH团，对键合十分有益。预键合前，在垂直于硅片表面方向，硅材料的三维晶格结构周期性被破坏，电子势力不存在平移对称性。处在晶体内部的原子受到邻近的次邻近的原子对称力场的作用处于平衡态，处在表面的原子由于非对称力场中存在指向空间的剩余结合力，形成表面悬挂键。为了使硅片的表面自由能，表面原子发生重新排列并吸附其它外来原子。亲水处理是硅-硅直接键合技术中的一项关键工艺，直接决定着预键合的成功与否。目前，已经提出了几种表面处理方法[17~19]，并且已经形成了一些固定的配比。键合实践证明，用表面处理过的硅片进行键合要比原始硅片容易的多。这是由于处理过的硅片表面－OH团的密度增加，例如，用等离子体处理过后，硅表面的－OH团的密度增加了6倍。

　　硅片表面根据亲水和不亲水的情况可以分为亲水表面和疏水表面。当硅片经清洗和活化处理后表面不沾水分子时称为疏水处理。反之,当清洗和活化处理后表面吸附水分子时称为亲水处理。纯净的硅片是疏水的，为了增加预键合时硅片之间的作用力，硅片要先进行活化处理，使硅片的表面成为亲水的表面。由于活化处理所用的化学试剂（如H2SO4，HNO3，H2O2等）具有很强的氧化性，硅片的表面会生成一层几十?的本征氧化层，本征氧化层表面的化学极性的作用存在非桥键的羟基，形成硅醇键（Si-OH）。这是由于二氧化硅是一种网状结构，在它的体内和表面存在非桥接氧原子和桥接氧原子。桥接氧原子的每个氧原子与周围两个硅原子相互键合，每个硅原子提供一个电子。非桥接的氧原子通过接受一个电子与一个硅原子结合，处于不稳定状态，它可以比较自由地在二氧化硅网格中运动。非桥接氧原子离开所原来的位置将出现Si悬挂键，可以和其它原子或离子结合。羟基（OH）团具有明显的离子性，它能与Si悬挂键结合形成硅醇键。羟基也可以是SiO2中Si中桥接氧原子的一个键断裂，并由一个单束缚羟基团代替该原子，使SiO2结构变松。同时，氢原子也可以与非桥接氧原子结合形成一个羟基。

　　由于羟基是亲水基，以羟基团为终端的硅片通过吸附的水分子之间的H键发生自发的键合，亲水活化处理的硅片表面情况。亲水键合模型为Si-OH…(HOH…HOH…HOH)…HOH-Si,OH团的键长为0.1nm，以H键相连接的两个氧原子之间的间距为0.27nm，即使硅片之间的距离达到1nm，多个水分子之间形成的桥也能将较为粗糙的表面连接在一起。

　　从能量观点看,疏水性表面属低能表面,这时硅表面张力rSG小于水分子表面张力rSL。亲水表面属高能表面,这时的硅表面张力rSG大于水分子表面张力rSL。硅片表面成为亲水性的基本条件由润湿理论可知

　　即硅片表面必须由低能表面转化为高能表面。从（2.20）式可以看出,完成上述转化的条件为:或者使rSG上升,或者rSL上升。由于清洗液大多为无机碱、酸的水溶液,由文献[21 ]知这时rSL几乎不变。因此,的方法是改变rSG使之增加。由于结构完整的纯净硅表面rSG是固定的,要改变其rSG只能是改变表面结构。

　　（a）桥联OH基 （b）孤立的OH 基
　　实际上,硅片的亲水处理正是借助已改变的硅表面结构之特性,用表面过渡层的作用吸附水分子。这个过渡层即表面非定形SiOx结构。由于SiOx的非化学计量比特性,体现出很高的rSG值。但要形成硅表面的SiOx过渡层,必须使用氧化性溶剂。