晶圓鍵合中的電漿改質表面 Zeta 電位量測與製程控制

晶圓鍵合製程的關鍵技術

在先進半導體製程中，晶圓鍵合（Wafer Bonding）已成為 SOI、MEMS、3D IC 與 Hybrid Bonding 的關鍵技術。
無論是低溫直接接合或複雜的異質材料鍵合，SiO₂ 表面上的 OH 基密度、親水性與表面電荷狀態，始終決定接合界面的化學鍵結強度。
在所有晶圓鍵合技術中：

• SiO₂ 表面 OH 基密度
• 親水性變化
• 表面電荷（Zeta 電位）

均直接影響鍵合界面的化學鍵結強度。
然而，傳統接觸角（Contact Angle）量測在親水性極高的 SiO₂ 表面上變化有限，不足以解析製程間的微小差異。
根據最新研究顯示，表面 Zeta 電位（Surface Zeta Potential）可成為更敏感、更可量化的製程控制指標，並與接合強度具有直接關聯。
本篇文章將以文獻研究資料<直接接合のためのプラズマ活性化シリコンウェハの表面ゼータ電位と経時変化>
為基礎，並結合 大塚科技 ELSZneo 的平板表面量測技術，說明如何以表面 zeta 電位作為晶圓鍵合製程的新指標，提升接合品質與穩定性。
資料引用自第17回集積化MEMSシンポジウム發表資料
<Suzuki, Y., Kato, J., Karasumi, Y., Matsumoto, T., Shen, J., and Tanaka, S., “Surface zeta potential and time-dependent changes of plasma-activated silicon wafers for direct bonding,” in Proceedings of the 17th Symposium on Integrated MEMS, Oral presentation, No. 11P2-B-4, 2025.>

文章內容概要

• Plasma 活化後，zeta 電位由 –30 mV 下降至 –50 mV
• 電位越負，表示 OH 基密度越高、界面越親水

結論：zeta 電位可直接預測接合成功率，是有效的製程控制參數。

表面 Zeta 電位如何反映接合強度？

• Plasma 活化後 SiO₂ 表面電位會變得更負
• Zeta 電位愈負，代表 OH 基密度更高、親水性更強
• 這些表面變化會直接提高 SiO₂–SiO₂ 的 化學接合強度

尤其在親水表面濕潤角變化極小的情況下，Zeta 電位能提供更明確的趨勢與差異。
 

實驗過程：Zeta 電位與接合行為的關聯

為取得可重複的表面狀態，研究採用：

• 4 吋 N 型矽晶圓，表面 1 μm 熱氧化膜
• Plasma 活化使用 EVG810（100 W 20–120 秒）
• 進行O₂ or N₂ Plasma處理

表面電位以 電氣滲透流法量測，可直接反映表面附近的離子分布與電荷狀態。
研究主結論包括：

1. Plasma 時間越長 → Zeta 電位越負

顯示表面 OH 基密度增加、化學鍵結能力上升。


圖.表面zeta電位對Plasma處理時間長短變化
 

2.與接合界面化學強度具明確相關性

流程概要
基板準備：在 4 吋矽晶圓上生長1μm 的熱氧化膜SiO₂。
電漿接合：經電漿活化後，在大氣下將兩片 SiO₂面直接對接。
退火強化：以 400°C 熱處理，排除介面水分並提升接合強度。
深蝕刻：透過黃光微影與 DRIE 蝕刻單側矽晶圓至氧化層。
氣相釋放：利用氣相 HF 蝕刻接合層的 SiO₂，完成最終樣本。


圖.鍵結評估方法
T. Gong, Y. Suzuki, K. Hiller, and S. Tanaka, “Characterization of plasma-activated, thermally-annealed Si-SiO2 direct bond strength for vapor HF etching” Sens. Actuators A: Phys., vol. 363, 114691, 2023.

實驗結果
研究比較兩組不同活化時間（20 sec / 60 sec），其 zeta 電位分別約為：

• 20 sec Plasma（–38 mV） → 蝕刻線條不均、侵蝕距離較大
• 60 sec Plasma（–48 mV） → 蝕刻量較小、界面更均勻

化學接合強度的差異。
顯示：表面 zeta 電位與表面接合強度差異明顯。

圖.利用紅外線（IR）顯微鏡觀察經由氣相氫氟酸（Vapor HF）蝕刻後的接合界面，藉此定量評估化學接合強度
 

晶圓改質Zeta 電位量測方法：以電氣滲透流解析表面電荷

研究採用 平板表面 Zeta 電位量測法，其原理為：

利用電滲流回推固體樣品帶電符號&大小

實測Cell內數點的電氣泳動，以森・岡本公式實際解析樣品容器內部電氣滲透流狀況
　　　　→平板狀樣品附近的電滲流圖求得固體表面電位

進一步可以推廣到固體表面電位量測。詳細可以參考本站文章
📖  界達電位量測原理介紹，固態樣品表面電位(surface zeta potential)量測方法與實踐

ELSZneo:為晶圓鍵合製程打造的表面電荷量測解決方案

Zeta 電位已成晶圓鍵合不可或缺的製程指標，研究已明確證實：

• Zeta 電位越負 → 接合化學強度越高
• Plasma 活化品質可用電位變化判定

透過 ELSZneo，工程師能以科學方式管理接合表面狀態，在 Hybrid Bonding 製程中取得更高良率與一致性。

同場加映：大塚科技 OPTM 與 SF-3 在晶圓鍵合製程中的應用

除了表面Zeta 電位能有效反映 Plasma 活化與接合能力外，晶圓鍵合製程本身也依賴 薄膜結構、晶圓厚度與基板平整度的穩定性。
大塚科技的 OPTM 與 SF-3 系列設備，在這些檢測需求中提供高精度、高速且量測範圍廣的解決方案。

1. OPTM：極薄膜量測 × 微小區域解析 × 高速檢測

大塚科技 OPTM 系列為顯微分光式膜厚量測儀，具備：

• 1 nm 起的極薄膜量測能力
• 3 μm 微小聚焦點，適合測量局部區域
• 1 秒內完成單點量測
• 非接觸式光學法、無損分析

適用於晶圓鍵合的情境包括：

• Plasma 活化前後薄膜結構（SiO₂、SiN）變化量追蹤
• CMP、清洗後殘膜厚度確認
• 鍵合界面區域的膜層均勻性檢查
• Hybrid Bonding 中介電層厚度控管

OPTM 特別適合解析「局部差異」與「極薄膜變動」，補強表面界達電位無法提供的膜層維度資訊，使表面狀態與薄膜結構能被同時量化。
 

2. SF-3：全晶圓厚度量測 × μs 等級反應速度 × 製程線監控

SF-3 系列為分光干涉式晶圓厚度量測儀，具備：

• 跨越 6–1300 μm（矽換算）的大量測範圍
• 高速 μs 等級取樣率，可整合進研磨或鍵合前後製程設備
• 非接觸片上量測
• 適合量產線的 全自動/連續監控

SF-3 在晶圓鍵合製程中的應用包括：

• 鍵合前晶圓厚度控管
• 研磨（Grinding / Lapping）後厚度精準監測
• 厚度均勻性、與平整性確認
• 鍵合後厚度變動與變形分析

對於需要高產能與高度一致性的封裝廠來說，SF-3 可用於建立「線上厚度 SPC」，確保鍵合用晶圓在厚度條件上完全一致。

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想更加深入了解晶圓鍵合的量測小撇步，歡迎聯繫我們。
 

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