InP/Si键合技术研究进展

InP材料及其器件的研制是近年来研究热点之一,而键合技术又是光电子集成研究领域内一项新的制作工艺。利用键合技术结合离子注入技术可以InP薄膜及器件集成到Si衬底上,改善机械强度,降低成本,具有非常诱人的应用前景。概括地介绍了近年来InP在Si上的键合工艺及层转移技术研究进展,并对InP和Si的几种键合工艺进行了分析。降低InP和Si键合温度,进行低温键合是其发展趋势。比较几种键合技术,利用等离子活化辅助键合是降低键合温度的有效途径。     

采用约束性逐级低温退火实现碳化硅与硅的低应力异质键合

基于直接键合方法,通过约束性逐级低温退火实现了碳化硅与硅的低应力异质键合,得到了翘曲度小于5μm、平均应力约32 MPa、键合完整性极高的6英寸(1英寸=2.54 cm)晶圆。通过水接触角测试、红外图像检测、翘曲度和应力测试、扫描电子显微镜(SEM)、能量色散谱仪(EDS)等分析了键合结果,并采用“刀片法”测试其键合面的键合能。键合完成的晶圆具有键合完整性高、键合强度强、晶圆应力小等特点。通过对比晶圆表面材料、退火温度、退火方式等相关的实验结果,对该低应力异质键合技术的工艺原理进行了解释。该技术路线对Si和SiC的三维集成有重要意义,且该方法可以推广用于更多种类材料的低应力异质键合。     

基于Al2O3中间层的InP/SOI晶片键合技术研究

研究了基于Al2O3中间层的InP/SOI晶片键合技术.该方案利用原子层沉积技术在SOI晶片表面形成Al2O3作为InP/SOI键合中间层,同时采用氧等离子体工艺对晶片表面进行活化处理.原子力显微镜和接触角测试结果表明,氧等离子体处理使得晶片的表面特性更适于实现键合.透射电子显微镜和X射线能谱仪测试结果证实,采用Al2O3中间层可以实现InP晶片与SOI晶片的可靠键合.     

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.     

GaAs/Si晶圆片键合偏差及影响因素研究

针对化合物半导体与Si基晶圆异质集成中的热失配问题,利用有限元分析方法开展GaAs半导体与Si晶片键合匹配偏差及影响因素研究,建立了101.6 mm(4英寸)GaAs/Si晶圆片键合匹配偏差评估的三维仿真模型,研究了不同键合结构和工艺对GaAs/Si晶圆级键合匹配的影响,系统分析了键合温度、键合压力、键合介质厚度及摩擦特性等因素对键合偏差影响的规律。结果表明,键合压力和键合层摩擦系数对键合偏差的影响极大,并通过对上述因素的优化,其匹配偏差可控制到3μm以内。     

面向先进封装应用的混合键合技术研究进展

随着摩尔定律推进至纳米级节点,以硅通孔(TSV)、重布线层(RDL)、薄芯片堆叠键合等为支撑的三维集成被认为是延续摩尔定律的重要途径. Cu/SiO₂混合键合可以持续缩小芯片间三维互连节距、增大三维互连密度,是芯片堆叠键合前沿技术. 近年来它在互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器(CIS)、Xtacking 3D NAND、 2.5D/3D集成等商业化应用突破,使之成为国内外领先半导体研究机构研究关注的热点话题. 本文将系统梳理混合键合技术的研究历史与产业应用现状,重点分析近年来国内外代表性研究工作的技术路线、研究方法、关键问题等, 在此基础上,对混合键合技术的未来发展方向进行展望.     

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.     

硅片直接键合工艺中的热过程

本文介绍了一种利用硅片直接键合(SDB)技术制作Si/Si衬底的方法。从理论上研究了键合过程中的热过程,如键合界面区中氧的扩散和杂质的再分布。利用SDB方法制成了p-n~+二极管,其击穿电压为500V,正向压降略小于0.7V,测得的少子寿命约为7.5μs。     

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.     

面向三维集成应用的Cu/SiO2晶圆级混合键合技术研究进展

Cu/SiO₂混合键合技术被认为是实现芯片三维集成和高密度电学互连的理想方案,但由于其需兼顾介质和金属两种材料的键合,目前鲜有自主开发且工艺简单、成本低廉的混合键合方案的报道。文章归纳了现有的晶圆级键合技术,包括直接键合、活化键合以及金属固液互扩散键合,分析了其应用于混合键合技术的可能性。进一步总结了近年来部分Cu/SiO₂混合键合技术的研究进展,从原理上剖析该工艺得以实现的关键,为国内半导体行业占领此高端领域提供一定的参考。     

晶圆低温直接键合技术研究进展

晶圆低温直接键合技术与传统键合方式相比具有对晶片及器件损伤小、无中介层污染、无需外部电场辅助等优势,在功率型半导体光电及电力电子器件、大功率固体激光器、MEMS、光电集成等领域具有巨大的应用潜力.文章从低温直接键合技术的发展历程入手,重点介绍了湿法疏水键合、湿法亲水键合和等离子体活化键合的物理化学机制.系统阐述了低温直接键合的工艺流程和键合强度的表征方法,探讨了低温直接键合的技术发展趋势,并对低温直接键合工艺的改善和创新应用拓展进行了展望.     

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.     

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。     

石墨烯压力传感器Au-Si共晶键合的气密性封装

针对石墨烯压力传感器的高气密性封装要求，设计了一种应用于石墨烯压力传感器的Au-Si键合工艺。采用Au-Si键合工艺只需要在传感器的密封基板表面生长一层100 nm的SiO₂,并在生长的SiO₂表面溅射金属密封环，密封环金属采用50 nm/300 nm的Ti/Au。使用倒装焊机在380℃以及16 kN的压力环境下保持20 min完成传感器芯片与基板的键合，实现石墨烯压力传感器的气密性封装。键合完成后对键合指标进行表征测试，平均剪切力可达19.596 MPa,平均泄露率为4.589×10^-4 Pa·cm³/s。通过对键合前后石墨烯传感器芯片电阻检测，电阻输出平均值变化了3.36%,键合前后电阻输出相对稳定。对传感器进行静态压力检测，其灵敏度>0.3 kΩ/MPa,非线性<1%FS。实验结果表明，石墨烯压力传感器采用Au-Si键合工艺进行气密封装不仅工艺简单，且强度高。     

Si/Si直接键合界面性质的研究

通过三步直接键合方法实现了 Si/ Si键合。采用 XPS、FTIR、I-V、拉伸强度等手段对 Si/ Si键合结构的界面特性作了深入广泛的研究。研究结果表明 ,高温退火后 ,在键合界面没有 Si-H和 Si-OH网络存在 ,键合界面主要由单质 Si和不定形氧化硅 Si Ox 组成。同时 ,研究还表明 ,I-V特性和键合强度强烈地依赖于退火温度。     

用于聚合物基微流体MEMS的等离子体活性晶圆键合技术

Lab-on-chip或μ-TAS(micro-totalanalysissystems)结合流体处理、检测及数据分析,是一种便携式的低成本高效器件。在微流体应用中,聚合物具有比硅或玻璃器件更明显的优势,它包括:宽泛的材料选择性,成本低、效率高,使用任意性,生物兼容性,抗化学品和工艺灵活性。为了实现采用这类材料制备小型集成化系统,我们发展了新的制备与封装技术。这项工作着眼于运用等离子体活化低温直接键合技术实现纳/微结构聚合物在低温条件下进行封装。由纳米压印光刻制作的纳/微结构的聚合物器件,可能是异质(聚合物与玻璃或硅)或同质(聚合物与聚合物)键合。为了改进键合材料的物理和化学熔合,键合工序通常在接近聚合物的玻璃化转变温度的高温下进行。但遗憾的是,高温损伤了微细图形,特别是对于高深宽比结构。在EVG810LT 等离子体反应室里,我们采用软射频频率等离子体表面处理,来进行聚合物的等离子体活化,它能在不改变聚合物体特性的前提下清洗和活化聚合物顶层。最终结果是,在EVG501晶圆键合机上,两个活化的表面在低温下通过施加一个适中的、均匀的接触压力而连接在一起,保证了空腔密封并防止了小结构的破坏和变形。键合工艺条件为:真空条件为从大气到200~1000Pa、接触压力为2～5kN、温度从室温到80℃。RR     

键合法制备硅基1.55μm InP-InGaAsP量子阱激光器

在硅基上成功地制备出了1.55μm InP-InGaAsP量子阱激光器.设计并生长了适合于键合的量子阱激光器结构材料,通过直接键合技术,将Si衬底与InP-InGaAsP外延片键合到一起.剥离去掉InP衬底后,在5～6μm的薄膜上制备出20μm条形边发射激光器.室温下,阈值电流160mA(电流密度为2.7kA/cm2),功率可达10mW以上(在约350mA电流下),实现了1.55μm长波长边发射激光器与Si的集成.目前,该结果国际上还未见报道.     

键合法制备硅基1.55μm InP-InGaAsP量子阱激光器

在硅基上成功地制备出了1.55μm InP-InGaAsP量子阱激光器.设计并生长了适合于键合的量子阱激光器结构材料,通过直接键合技术,将Si衬底与InP-InGaAsP外延片键合到一起.剥离去掉InP衬底后,在5～6μm的薄膜上制备出20μm条形边发射激光器.室温下,阈值电流160mA(电流密度为2.7kA/cm2),功率可达10mW以上(在约350mA电流下),实现了1.55μm长波长边发射激光器与Si的集成.目前,该结果国际上还未见报道.     

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。