利用金属键合和激光剥离技术制备GaN/metal /Si异质结构的研究

利用金属键合和激光剥离将生长在蓝宝石衬底上的GaN薄膜转移到Si衬底上。键合后采用波长为248nm的准分子脉冲激光辐照蓝宝石衬底,低温处理去除蓝宝石衬底。系统地研究不同键合温度和激光能量密度对GaN结构和光学特性的影响。AFM、XRD和PL测试表明：键合温度和激光剥离的能量密度较低,转移衬底后GaN的质量较好;激光剥离的阈值能量密度为300mJ/cm2;键合温度400℃的样品均方根粗糙度（RMS）约为50nm。     

基于混合气体活化的硅基钽酸锂晶圆键合研究

集成在硅基衬底上的钽酸锂薄膜在新型声学器件上具有重要应用，等离子体活化键合是其主要的集成方式，相关研究报道众多但仍缺乏对等离子体活化工艺的深入研究。本文研究了LT和Si衬底晶圆在不同活化气氛、频率和时间下的亲水性接触角变化情况，探索了一套可以显著提高键合强度的活化参数。研究结果发现，对晶圆表面采用N₂加O₂混合活化60 s后，LT和Si衬底晶圆亲水性接触角达到最小值，分别为4.244°和3.859°。键合后用SEM扫描了样片的横截面，发现键合质量良好。最后对比了用O₂、N₂和Ar活化60 s,以及N₂加O₂混合活化60 s后键合片的键合强度，发现混合气体活化后键合强度最大，达到了9.05 MPa。     

表面活化处理在激光局部键合中的应用

为了研究低热应力键合工艺,提出了一种将表面活化直接键合与激光局部键合相结合的键合技术。首先采用RCA溶液对键合片进行表面亲水活化处理,并在室温下成功地完成了预键合。然后在不使用任何夹具施加外力辅助的情况下,利用波长1064nm、光斑直径500μm、功率70W的Nd:YAG连续式激光器,实现了激光局部键合,并取得了6.3MPa~6.8MPa的键合强度。结果表明,这种以表面活化预键合代替加压的激光局部键合技术克服了传统激光键合存在的激光对焦困难,以及压力不匀易损害键合片和玻璃盖板等缺点,同时缩短了表面活化直接键合的退火时间,提高了键合效率。     

基于湿法表面活化处理的InP/SOI晶片键合技术

为了实现集成硅基光源,研究了基于湿法表面处理的InP/SOI直接键合技术。采用稀释的HF溶液对InP晶片进行表面活化处理,同时采用Piranha溶液对SOI晶片进行表面活化处理,实现了二者的低温直接键合。分别采用刀片嵌入法和划痕测试仪对样品的键合强度进行了定性及定量分析。同时,采用超声波扫描显微镜及扫描电子显微镜对键合界面的缺陷信息及键合截面的微观特性进行了评估。分析结果表明:提出的键合工艺可以获得较好的键合效果。     

利用金属过渡层低温键合硅晶片

在Si/Si之间采用Ti/Au金属过渡层,实现了Si/Si低温键合,键合温度可低至414 ℃.采用拉伸强度测试对Si/Si键合结构的界面特性进行测试,结果表明,键合强度高于1.27MPa;I-V测试表明,Si/Ti/Au/Ti/Si键合界面基本为欧姆接触;X射线光电子能谱(XPS)测试结果进一步表明,界面主要为Si-Au共晶合金.不同温度的变温退火实验表明,键合温度越高,键合强度越大,且渐变退火有利于提高键合强度.     

利用金属过渡层低温键合硅晶片

在Si/Si之间采用Ti/Au金属过渡层,实现了Si/Si低温键合,键合温度可低至414 ℃.采用拉伸强度测试对Si/Si键合结构的界面特性进行测试,结果表明,键合强度高于1.27MPa;I-V测试表明,Si/Ti/Au/Ti/Si键合界面基本为欧姆接触;X射线光电子能谱(XPS)测试结果进一步表明,界面主要为Si-Au共晶合金.不同温度的变温退火实验表明,键合温度越高,键合强度越大,且渐变退火有利于提高键合强度.     

用于三维封装的铜-铜低温键合技术进展

在三维系统封装技术中,金属热压键合是实现多层芯片堆叠和垂直互连的关键技术。为了解决热压键合产生的高温带来的不利影响,工业界和各大科研机构相继开发出了多种低温键合技术。综述了多种不同的低温金属键合技术(主要是Cu-Cu键合),重点阐述了国内外低温金属键合技术的最新研究进展及成果,并对不同低温金属键合技术的优缺点进行了分析和比较。     

晶圆键合技术在LED应用中的研究进展

简要介绍了晶圆键合技术在发光二极管(LED)应用中的研究背景,分别论述了常用的黏合剂键合技术、金属键合技术和直接键合技术在高亮度垂直LED制备中的研究现状,包括它们的材料组成和作用、工艺步骤和参数以及优缺点.其中,黏合剂键合是一种低温键合技术,且易于应用、成本低、引入应力小,但可靠性较差;金属键合技术能提供高热导、高电导的稳定键合界面,与后续工艺兼容性好,但键合温度高,引入应力大,易造成晶圆损伤;表面活化直接键合技术能实现室温键合,降低由于不同材料间热失配带来的负面影响,但键合良率有待提高.     

一种基于Ag-Sn等温凝固的圆片键合技术

研究了用Ag-Sn作为键合中间层的圆片健合。相对于成熟的Au-Sn键合系统(典型键合温度是280℃),该系统可以提供更低成本、更高键合后分离(De-Bonding)温度的圆片级键合方案。使用直径为100mm硅片,盖板硅片上溅射多层金属Ti/Ni/Sn/Au,利用Lift-off工艺来形成图形。基板硅片上溅射Ti/Ni/Au/Ag。硅片制备好后,将盖板和基板叠放在一起送入键合机进行键合。键合过程在N2气氛中进行,键合过程中不需要使用助焊剂。研究了不同键合参数,如键合压力、温度等对键合结果的影响。剪切强度测试表明样品的剪切强度平均在55.17MPa。TMA测试表明键合后分离温度可以控制在500℃左右。He泄漏测试证明封接的气密性极好。     

GaAs/Si直接键合用GaAs表面化学活化技术

研究了GaAs/Si疏水性直接键合技术中GaAs表面化学活化关键工艺,对比分析了不同体积分数的HF和HCl溶液作为表面活性处理剂时对GaAs表面进行活化处理的结果。发现用HCl和H2O溶液处理GaAs晶片得到的表面均方根粗糙度要优于用HF处理得到的结果,并且将处理过的GaAs晶片与Si片进行直接键合,发现用HCl进行表面活化的GaAs晶片与Si片键合的成功率要高于用HF进行表面活化的GaAs和Si键合。在200,300和400℃条件下,采用HCl和H2O体积比为1∶10的溶液处理的GaAs晶片与Si片都成功键合,并且200℃条件下键合后的界面质量较好。     

采用界面薄层氧化硅的硅片直接键合技术研究

本文研究了采用界面薄层氧化硅的硅片直接键合技术。利用原子力显微镜（AFM）和剪切力测试分别表征表面粗糙度和键合强度随着薄层氧化硅厚度的变化情况。对比了采用热氧化和等离子体增强化学气相沉积法（PECVD）两种方法对晶片粗糙度及键合强度的影响。结果表明采用热氧化和PECVD沉积薄层氧化硅做硅片直接键合,键合强度分别可以达到18MPa和8MPa,键合强度随着薄层界面氧化硅厚度的增加而下降,这对于MEMS器件制备及其他硅片直接键合的应用都具有十分重要的指导意义。     

Ni/Pd/Au镀层的键合可靠性

研究了陶瓷外壳不同厚度Ni/Pd/Au镀层的键合可靠性,并分析了金丝球焊、硅铝丝楔焊和粗铝丝楔焊经300℃不同时间贮存后键合强度变化及键合失效模式变化,并与Ni/Au镀层键合进行了对比。研究结果表明,随着Au层厚度的增加,相同键合参数、相同镀层的金丝球焊的键合强度一致性有明显提升,随高温贮存时间增加,Ni/Pd/Au镀层的金丝键合强度一致性变差;相同实验条件下、不同镀层外壳的硅铝丝键合强度基本一致,300℃、1 h贮存后硅铝丝键合强度降低,随着高温贮存时间的增加,硅铝丝键合强度变化不大;随Au层厚度的增加,粗铝丝楔焊键合强度一致性变差,且失效模式主要为键合点脱落。     

基于低温键合技术制备SOI材料

通过N+等离子体对Si片以及SiO2片表面活化，进行直接键合，研究了键合强度与退火温度的关系.研究结果表明退火温度从100℃升高到300℃的过程中，键合强度明显加强；高于300℃，键合强度略有增加，但不明显. 结合N+等离子体处理技术和Smart-Cut技术制备出SOI结构，顶层硅缺陷密度表征表明在500℃退火后可得到较好的缺陷密度. 该研究结果提供了一种SOI低温技术.     

基于硫化物表面处理的InP/GaAs低温晶片键合

提出一种新的基于硫化物表面处理的InP/GaAs低温晶片键合技术．在360℃的退火温度下，获得了1.2MPa的键合强度．基于这种低温键合技术，可将外延生长在InP衬底上的In0.53Ga0.47As/InP多量子阱（MQW）键合并转移到GaAs衬底上．X射线衍射表明量子阱的结构未受键合过程的影响．光致发光谱分析表明键合后量子阱的晶体质量略有改善．电流电压特性的测试表明n-InP/n-InP的键合界面具有良好的导电特性；在n-InP/n-GaAs的键合界面存在着电荷势垒，这主要是由于键合界面存在GaAs氧化物薄层所致．     

应用于三维集成的金铟键合技术研究

由于埋置芯片耐受温度的限制,圆片级低温键合技术是MEMS三维集成的关键工艺之一。金属In凭借自身熔点低而金属间化合物（Intermetallic compound, IMC）熔点高且性质稳定的特点,使得Au-In固液扩散键合法成为颇具前景的低温键合技术之一。本文采用Au-In二元共晶化合物进行圆片级低温键合,在键合衬底上先后制备了0.4μm的SiO/SiN介质层、3.5μm的Au层和1.7μm的In层,然后分别研究了先预加热键合极板再贴合圆片和先贴合再加热两种键合方式。电性能测试、An/In组分分析和剪切试验结果表明：先贴合再加热的键合样品芯片形成了性质稳定的IMC组分,具有良好的电学互连特性稳定性,且剪切强度达到100 MPa。一定样本容量的实验结果证明隔绝键合前Au-In的相互扩散能够有效增强键合的可靠性。     

基于UV光照的圆片直接键合技术

研究了UV辅助活化与湿化学清洗活化相结合的圆片直接键合技术,并利用红外测试系统、单轴拉伸测试仪和场发射扫描电子显微镜,结合恒温恒湿实验、高低温循环实验对键合质量进行了测试.结果表明,采用该技术可以实现较好的圆片直接键合,提高键合强度,控制合适的UV光照时间可以获得更高的强度,对键合硅片进行恒温恒湿和高低温交变循环处理后,硅片仍能保持较高的键合强度.因此,该工艺对于改进圆片直接键合技术是行之有效的,具有很大的应用潜力.     

基于UV光照的圆片直接键合技术

研究了UV辅助活化与湿化学清洗活化相结合的圆片直接键合技术,并利用红外测试系统、单轴拉伸测试仪和场发射扫描电子显微镜,结合恒温恒湿实验、高低温循环实验对键合质量进行了测试.结果表明,采用该技术可以实现较好的圆片直接键合,提高键合强度,控制合适的UV光照时间可以获得更高的强度,对键合硅片进行恒温恒湿和高低温交变循环处理后,硅片仍能保持较高的键合强度.因此,该工艺对于改进圆片直接键合技术是行之有效的,具有很大的应用潜力.     

MEMS封装用局部激光键合法及其实现

对常规激光键合在Si-玻璃键合工艺中因高温而引起的负面效应进行了分析,从而设计出芯片表面活化预键合与激光键合工艺相结合的方法.该方法已用于微电子机械系统(MEMS)样片封装实验中.实验过程是:先用一种特殊的化学方法形成亲水表面,然后将Si和玻璃置于室温下进行预键合,最后取波长1064nm、光斑直径500μm、功率70W的Nd∶YAG激光器作局部激光加热.结果表明,该方法在不施加外力下能实现无损伤低温键合,同时拉伸实验也说明了样片键合强度达到2.6～3.0MPa,从而既保证了MEMS芯片的封装质量又降低了其封装成本.     

GaN基LED与Si键合技术的研究

采用金属键合技术结合激光剥离技术将GaN基LED从蓝宝石衬底成功转移到Si衬底上。利用X射线光电子谱(XPS)研究不同阻挡层对Au向GaN扩散所起的阻挡作用,确定键合所需的金属过渡层。利用多层金属过渡层,在真空、温度400℃和加压300 N下实现GaN基LED和Si的键合,通过激光剥离技术将蓝宝石衬底从键合结构上剥离下来,形成GaN基LED/金属层/Si结构。用金相显微镜及原子力显微镜(AFM)观察结构的表面形貌,测得表面粗糙度(RMS)为12.1 nm。X射线衍射(XRD)和Raman测试结果表明,衬底转移后,GaN基LED的结构及其晶体质量没有发生明显变化,而且GaN与蓝宝石衬底间的压应力得到了释放,使得Si衬底上GaN基LED的电致发光(EL)波长发生红移现象。     

调制型Au/Sn薄膜微观形貌及合金化工艺

采用Au和Sn单质金属靶,通过直流磁控溅射法制备调制型Au/Sn薄膜(薄膜层数为3~21),经快速退火后,实现单质多层薄膜的合金化。主要研究了Au/Sn薄膜微观形貌和合金化工艺控制。结果表明,当固定薄膜总厚度为2μm时,320℃下退火10min后,膜层表面粗糙度与薄膜层数呈反比。薄膜层数较少(n=3)、调制周期厚度较大时,由于Au与Sn间扩散不完全,合金化不充分,造成薄膜表面起伏较大,其均值粗糙度最高达到188.5nm。随着薄膜层数不断增加,调制周期厚度减小到纳米级,薄膜也更加致密、平整,n=21时,320℃下退火10min后均值粗糙度仅为29.7nm。优化合金化工艺过程中,采用了不同的优化方法,包括增加退火温度、延长保温时间、降低薄膜总厚度和调制周期,最终在膜层厚度为700nm、退火温度为320℃、退火时间为10min的工艺条件下,获得了表面致密平整、合金化充分及金锡质量比约为80∶20的合金薄膜,均值粗糙度仅为23.5nm。