对于抛光的硅片的表面,一般存在10~60Å的本征氧化层,并且在亲水活化处理的过程中,表面也会由于强氧化剂的作用生成一层本征氧化层,所以抛光硅片与氧化硅片的键合过程基本相似。硅-硅直接键合的机理目前已进行了较多的研究[4~8],整个键合机理可用三个或四个阶段的键合过程进行描述,这里用四个键合阶段对键合机理进行描述:
第一阶段,从室温到200℃,两硅片表面吸附OH团,在相互接触区产生H键,随着温度的升高,OH团因得到热能而增大迁移率,表面H键形成的几率也随着增大,因而键合的硅片的相互作用力增大,硅片表面产生弹性变形,键合面积增加,键合强度也增加。
第二阶段,200℃~500℃,形成H键的两个硅片的硅醇键(Si-OH)之间发生聚合反应,产生水和硅氧(Si-O)键,即:
Si-OH + HO-Si →Si-O-Si + H2O (2.1)
由于硅氧(Si-O)键结合远比H键牢固,所以键合强度迅速增加。到达400℃左右,聚合反应基本完成。
第三阶段,500℃~800℃,聚合反应产生的水向SiO2中不显著,而OH-可破坏桥接氧原子的一个键使其转变为非桥接氧原子,即
Si-O-Si + HOH = 2Si-O- + 2H+ (2.2)
第四阶段,温度大于800℃,水向SiO2中扩散变得显著,而且随着温度的升高扩散系数指数增大,键合界面的空洞和间隙处的水分子可在高温下扩散进入四周SiO2中,从而产生局部的真空,这样的硅片发生塑性变形使空洞消除。在高温下,由于SiO2粘度降低,使SiO2产生粘滞流动,所以消除了键合界面的微间隙。温度超过1000℃后,邻近原子间的相互反应产生了共价键,使键合完成。