（物理电子学专业论文）gaasinp晶片键合技术的研究.pdf

北京邮电大学硕士研究生学位论文 g a a s i n p 晶片键合技术的研究 摘要 本论文是根据国家重点基础研究发展计划( 9 7 3 计划) 项目“新一代通信光 电子集成器件及光纤的重要结构工艺创新与基础研究”( 项目编号： 2 0 0 3 c b 3 1 4 9 0 0 ) 、任晓敏教授承担的国家自然科学基金“光信息功能材料”重大研 究计划“g a a s 、i n p 基功能楔形结构的材料工艺研究及其在新型光电子器件中的 应用”( 项目编号：9 0 2 0 1 0 3 5 ) 等项目，以及黄永清教授承担的国家高科技( 8 6 3 ) 计划项目“高性能i n p 基、c o d a s 基谐振腔增强型长波长光探测器”( 项目编号： 2 0 0 3 a a 3 1 9 0 5 0 ) 展开研究的。 晶片键合技术是近些年来发展起来的一种准单片集成技术，可以将不同材料 的优势特性结合起来，使器件设计的自由度大大提高，各种新颖的高性能器件得 以实现，因而被广泛应用于光电子器件、微电子电路、传感器、功率器件、微机 械加工等领域。 由于g a a s 和i n p 的晶格常数存在较大的失配，所以应用传统的异质生长技 术得到的g a a s 、i n p 的异质结构难以满足器件对材料提出的要求。对g a a s 、i n p 晶片键合技术进行研究，正是为了利用键合技术集成材料的优势，得到高质量的 g a a s 、i n p 异质结构，进而获得高性能的器件。本论文对g a a s 、i n p 晶片键合技 术进行研究，我们从研究表面处理溶液入手，探索一种成本低廉而又行之有效的 低温键合工艺。论文的主要工作如下： 1 分析了晶片键合界面的应力分布，得到了晶片键合界面的应力分布 情况及其影响范围。 2 分析了两个晶片的室温接触，得到了室温条件下晶片的接触面积、 荷载压力和弹性位移之间的关系，分析了导致键合界面产生空洞的 各种因素。 3 通过键合实验，发现了原来的夹具的不足，重新用高纯度金属材料 钼设计并制作了夹具。 4 完成了g a a s 、i n p 晶片的键合实验，实验取得了良好的键合效果。 关键词晶片键合g a a si n p 应力 i i 北京邮电大学硕士研究生学位论文 r e s e a r c ho fg a a s i n pw a f e r b o n d i n gt e c h n o l o g y a b s t r a c t t h er e s e a r c hw o r ko ft h i st h e s i si sc a r r i e do u to nt h eb a s i so ft h es u b p r o j e c to f “i n n o v a t i o na n df u n d a m e n t a lr e s e a r c ho nl o w - t e m p e r a t u r ew 疵rb o n d i n ga n d q u a s i m o n o l i t h i co p t o e l e c t r o n i c si n t e g r a t i o nt e c h n o l o g i e s ( p r o j e c t n o 2 0 0 3 c b 31 4 9 0 0 ) o f t h ep r o j e c t “t e c h n o l o g yi n n o v a t i o na n df u n d a m e n t a lr e s e a r c ho n n e wg e n e r a t i o nc o m m u n i c a t i o n so p t o e l e c t r o n i ci n t e g r a t e dd e v i c e sa n di m p o r t a n t s t r u c t u r e so fo p t i c a lf i b e r s ”，谢mp r o f e s s o rr e nx i a o m i na st h ec h i e fs c i e n t i s t ， u n d e rt h es t a t ek e yf u n d a m e n t a lr e s e a r c hd e v e l o p m e n tp r o g r a m ( p r o g r a m9 7 3 ) ，t h e g r a n dr e s e a r c hp r o j e c t “m a t e r i a lt e c h n o l o g yr e s e a r c ho f g a a s ，i n p b a s e df u n c t i o n a l t a p e r e ds t r u c t u r ea n dt h e i ra p p l i c a t i o n so fi nn o v e lo p t o e l e c t r o n i cd e v i c e s ” ( p r o j e c tn o 9 9 7 0 1 0 3 5 1o o p t i c a li n f o r m a t i o nf u n c t i o n a lm a t e r i a l ”u n d e rt h e n a t i o n a l n a 婶a ls c i e n c el ? u n d s ，印j ! 廷峰qb y ，p r o f e s s o rr e nx i a o m i n ，a n d t h e n a t i o n a lh i g h t e c h ( 8 6 3 ) p r o 簪a mp r o j e c t h i g hp e r f o r m a n c ei m pa n dg a a s b a s e d r e s o n a n t c a v i t y e n h a n c e d l o n g - w a v e l e n g t h p h o t o d e t e c t o r s u n d e r t a k e n b y p r o f e s s o rh u a n gy o n g q i n gf p r o j e c tn o 2 0 0 3 a a 3 1 9 0 5 0 ) i nt h er e c e n ty e a r s ，a ni n t e g r a t i o nt e c h n o l o g yn a m e d w a f e rb o n d i n g h a sb e e n d e v e l o p e dt op r o v i d et h ep o s s i b i l i t i e st oc o m b i n et h ea d v a n t a g e so f d i f f e r e n tm a t e r i a l s ， i m p r o v et h ef l e x i b i l i t yo fd e v i c ed e s i g n sa n di m p l e m e n th i g h p e r f o r m a n c ed e v i c e s i t h a sb e e nu s e di nm a n yf i e l d s ，i n c l u d i n go p t o e l e c t r o n i cd e v i c e s ，m i c r o e l c t r o n i c c i r c u i t s ，s e n s o r s ，p o w e rd e v i c e sa n dm i c r o m a c h i n ep r o c e s s t h eq u a l i t yo f g a a s i n ph e t e r o s t m c t u r e sg r o w nb ye p i t a x i a lg r o w nt e c h n o l o g yi st o op o o rt o f a b r i c a t et h ed e v i c ed u et ot h el a r g el a t t i c em i s m a t c hb e t w e e ng a a sa n di n p i no r d e rt o i m p l e m e n th i g h p e r f o r m a n c ed e v i c e s ，w ei n t r o d u c e dw a f e rb o n d i n gt e c h n o l o g ya n dd i dr e s e a r c h o nt h a t w ed i dr e s e a r c ho nl o w t e m p e r a t u r et e c h n o l o g yt h a ti sl o w c o s ta n de f f i c i e n t t h em a i n r e s e a r c hw o r ki nt h i st h e s i si sl i s t e db e l o w ： 1 s t u d i e dt h ed i s t r i b u t i o no fs t r e s s e si nt h ei n t e r f a c eo fb o n d e dw a f e r s t h e c h a r a c t e r i s t i c so fd i s t r i b u t i o no fs t r e s s e s ，w h i c hi n f l u e n c et h eq u a l i t yo fb o n d e d w a f e r s ，f i r ed i s c u s s e d 2 s t u d i e dt h ec o n t a c tb e t w e e nt w o w a f e r sa tr o o m t e m p e r a t u r e ，d i s c u s s e dt h e i l i 北京邮电大学硕士研究生学位论文 4 r e l a t i o n s h i pa m o n gc o n t a c ta r e a , l o a dp r e s s u r ea n de l a s t i cd i s p l a c e m e n t d i s c u s s e d t h ef a c t o r sw h i c hc a u s et h ei n a n i t i o ni nt h ei n t e r f a e eo fb o n d e dw a f e r s r e d e s i g n e da n dm a d ew a f e rh o l d e r s ，w h i c hc a nr e m o v et h ed e f e c t sw ef o u n di nt h e f o r m e ro n eb ye x p e r i m e n t s a c c o m p l i s h e dw a f e rb o n d i n go fg a a sa n di n p , a n dt h i se x p e r i m e n th a sg o tg o o d r e s u l t k e y w o r d sw a f e rb o n d i n gg a a si n ps t r e s s 北京邮电大学硕士研究生学位论文 声明 独创性声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名麴竺日期 2 彩g 年斗日2 目 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名：塑笠日期 导师签名 2 0 0 脾年月2 日 北京邮电大学硕士研究生学位论文 1 1 课题背景 第一章晶片键合技术介绍 本论文工作是围绕任晓敏教授为首席科学家的国家重点基础研究发展计划 ( 9 7 3 计划) 项目“新一代通信光电子集成器件及光纤的重要结构工艺创新与基 础研究”( 项目编号：2 0 0 3 c b 3 1 4 9 0 0 ) 、任晓敏教授承担的国家自然科学基金“光 信息功能材料”重大研究计划“g a a s 、i n p 基功能楔形结构的材料工艺研究及其 在新型光电子器件中的应用”( 项目编号：9 0 2 0 1 0 3 5 ) 等项目，以及黄永清教授 承担的国家高科技( 8 6 3 ) 计划项目“高性能i n p 基、g a a s 基谐振腔增强型长波 长光探测器”( 项目编号：2 0 0 3 a a 3 1 9 0 5 0 ) 展开的。 半导体材料的价值在于它的光学、电学特性可以充分应用于器件。例如，s i 材料成本低廉，禁带宽度较大，晶片表面存在对掺杂杂质有极好阻挡作用的氧化 层( s i 0 2 ) ，因此在微电子领域得以广泛应用。白硅开始替代锗，直到现在，甚 至以后很长一段时间内，硅仍将是大规模集成电路的主要材料。如在军事领域中 应用的抗辐射硅单晶( n t d ) 、高效太阳能电池用硅单晶、红外c c d 器件用硅单 晶等。但在超高速集成电路和光电子领域。化合物半导体材料显示出它不可替代 的优势。 i i i v 族半导体化合物材料价格较高，属于直接带隙，易发射和吸收光，还具 有高迁移率等特性，因此在高速光器件领域中得以广泛应用。其中g a a s 具有高 的电子、空穴迁移率和高饱和漂移率，这些特性使其在半导体器件方面的应用比 硅更具优势；i n p 具有高饱和电子迁移率，高击穿电场，良好的热导率，在光电子器 件中具有极大的使用价值。g a a s 和i n p 基材料在1 0 年前就应用到器件中，成为化 合物半导体基器件的主要支柱材料。随着微电子技术向高密度、高可靠性方向发 展，对半导体材料的要求也越来越高。 各种半导体材料在迁移率、电阻率、光学吸收特性、热导率和机械特性等方 面存在差异，为了设计和实现功能更多、性能更出色的光电子器件和集成电路， 人们需要把不同的材料集成在一起，例如把s i 与g a a s ，s i 与i n p ，g a a s 与i n p 结合到一起，发挥不同材料的长处。 近几十年来出现的异质半导体材料集成技术主要包括四类：( 1 ) 异质外延生 长技术；( 2 ) 外延剥离技术；( 3 ) 共熔金属键合；( 4 ) 异质半导体晶片直接键合 技术，下面先对前三种作一简单的介绍。 1 异质外延生长技术 异质外延生长技术是八十年代研究得最多的材料集成生长技术。对于晶 格匹配的材料系如g a a s a i g a a s 或i n p i n g a a s p ，利用外延生长技术可以得 北京邮电大学硕士研究生学位论文 到质量很好的异质结构材料。人们也试图将g a a s 、i n p 等化合物材料制造 的光器件与硅材料制造的电子器件集成在一起，实现单片光电子集成；将 g a a s - a 1 g a a s 材料构成的d b r 和i n p i n g a a s p 材料构成的有源层结合，实 现垂直腔有源器件。许多研究工作者在材料生产和器件集成方面做了大量的 工作，发表了多篇论文。然而，由于i i i v 族化合物材料与s i 材料之间存在 较大的晶格失配，使得异质外延生长的半导体材料含有很高的位错密度，导 致材料特性完全劣化，甚至于器件无法使用。尽管采取了很多补救方法，但 改善不多。由于这样的生长技术存在着先天不足，致使该项技术的发展与应 用受到相当的限制。当然，在生长晶格匹配的异质材料方面，外延生长技术 是相当成功的。 2 外延剥离技术( e r l i t a x i a ll i f t o f f ) 外延剥离技术是美国贝尔通讯研究所( b e l c o r e ) 的研究人员于1 9 8 7 年 提出的 2 】。它利用稀氢氟酸对a l a s 和a l 。g a l x a s ( x o 4 ) 材料的腐蚀具有 极强的选择性，以a 1 a s 层为被腐蚀层，将a 1 g a a s 外延层与g a a s 衬底分 离，用黑胶做外延层的支持物，从而方便的将外延层转移到各种不同的新衬 底上去( 例如硅、玻璃、蓝宝石、铌酸锂、磷化铟、金刚石以及g a a s 衬底 本身) 。这样的集成，几乎没有热过程，异质材料的结合主要靠分子问较弱 的范德华( v a nd e r w a a l s ) 力。该技术提出后，尽管某些类型集成器件研制 成功的文章也见报道，但至今尚未见有利用该技术制成的实用器件问世。也 许其集成的机理正是限制其发展的原因。 3 共熔金属键合( e u t e c t i cm e t a lb o n d i n g ) 将共熔合金应用于器件集成工艺的报道不太多，代表性的有利用共熔合 金将g a a s 垂直腔面发射激光器集成在s i 衬底和c u 衬底上的研究结果【3 j 。 采用这种技术面临的一个重要问题是要避免合金过程对器件结构造成的破 坏。该工作采用的办法是利用p t 金属层作为阻挡层来缓冲i n 和a u 合金过 程对器件结构的影响。问题在于第一次合金键合之后，必须考虑随后器件工 艺的各种热过程对原合金键合层的影响。这给器件工艺的设计带来很大的限 制。 由于以上技术在半导体材料集成方面总是存在某些不尽如人意的地方，于是 人们又提出了半导体晶片直接键合技术。半导体晶片键合技术是集成光电子学领 域中的一项重要工艺手段，它通过清洗、加热、加压等手段，使两晶片的光滑表 面上的原子直接形成共价键连接。由于键合技术在界面处没有引入其它中间层而 且是界面两侧的原子直接形成共价键，所以界面有很好的导热导电性能，很少的 光散射和光损耗，很大的机械强度。与外延技术相比，晶片键合技术集成大晶格 北京邮电大学硕士研究生学位论文 失配的材料时不会产生线位错和堆积断层，仅在键合界面处有周期性的刃位错。 这种位错在解除晶格失配带来的应变方面是最为有效的。理论和实验都表明晶格 失配材料的键合界面的位错不容易离开界面向晶体内部传播，由它产生的应变在 距离界面几个原子层内便很快衰减到零。此外，用键合技术还可以获得晶向失配 的材料结构。 半导体晶片直接键合技术的出现解决了晶格失配较大材料之间难以利用外 延法集成的问题；而且构思新颖，增加了器件设计的自由度；简化了现有工艺， 降低了半导体材料集成的难度。晶片键合技术所具有的这些特点使其在光电子领 域中的应用很广，主要可以分为三类：1 集成不同特性的材料，制作高性能器件 和用于光集成；2 利用晶向失配时产生的特殊界面状态得到新的性能，如柔性衬 底( c o m p l i a n ts u b s t r a t e ) ；3 将其作为一种微加工手段，制作微结构和m o e m s 。 1 2 晶片键合技术简介 1 2 1 键合技术的起源与历史 目前半导体晶片直接键合技术已成为半导体工艺的一门重要技术，它对实 现不同材料器件的准单片集成、光电子器件的性能改善和新型半导体器件的发展 起了极大的推动作用。 关于键合现象的最早报道可以追溯到1 6 3 8 年，g g a l i l e i 在一本著作中描述 了平整玻璃板粘合在一起的现象。随后，在17 9 2 年，d e s a g u l i e r l 4 发现两个球形 铅块在外界压力的作用下会紧紧地吸附在一起。最早系统地研究玻璃片之间键合 的是l o r dr a y l e i g h ”，他于1 9 3 6 年发表了关于键合技术的首篇文章，并研究了 玻璃片间的结合能，在光学工业中得以应用，但在当时没有引起很大的反响。后 来，t a b o r 等人对键合界面的相互作用作了详细的研究，测量了键合界面的相互 作用能，并认为键合的机理是由于接触固体界面之间的范德华( v a nd e rw a a l s ) 力或是由于界面高极性分子层的运动。但是，很长一段时间内一直没有应用到常 温下晶片的键合，直到出现了应用于传感器的阳极键合技术。阳极键合技术是对 硅片和玻璃在一定温度下经高压进行键合，其优点是键合晶片具有很高的稳定 性和坚固性，缺点是不能对两片硅片直接进行键合，而且由于钠离子的存在，所 以不能和m o s 工艺兼容。在2 0 世纪6 0 年代到7 0 年代期间，逐渐产生了应用 于不同器件结构的高温晶片( 主要是s i 片) 键合技术，但由于其键合的初始温 ：度一般都较高，键合的机理都是依赖于在一定的机械压力下通过高温扩散工艺对 i ! 晶片进行熔合，因此不能成为大规模集成电路应用中的主流技术。晶片键合的真 正发展始于2 0 世纪8 0 年代，特别是在1 9 8 5 年底，i b m 公司的l a s k e y 【6 j 和t o s h i b a 公司的s h i m b o 7 等人提出了s i 片直接键合( s d b ，s i l i c o n d i r e c t b o n d i n g ) 技术 北京邮电大学硕士研究生学位论文 并用于制备s o l 材料后，晶片键合技术才得到了人们的广泛关注。1 9 8 8 年， p e t e r s e n 和b a r t h 利用键合技术制作了封闭腔，应用于压力传感器。i i i v 族半导 体化合物晶片键合的发展源于1 9 7 4 年，a n t y p a s 和e d g e c u m b 提出了外延层转移 ( z p i t a x i a l l a y e rt r a n s f e r r i n g ) 的概念，把外延生长得到的g s a s a 1 g a a s 材料与 玻璃键合。1 9 8 9 年，l e h m a n n 和他的同事第一次实现了1 1 1 p s i 和g a a s s i 的无 空洞( v o i d f r e e ) 晶片键合。然而，l i a n 和m u l l 的工作才可称得上是i i i v 族 半导体化合物晶片键合的开端。1 9 8 9 年，他们把单轴向压力施加到高温退火的 晶片对上，减少了热应力对晶片键合的影响，将i n p 和g a a s 晶片键合在了一起， 而且还通过在晶片界面上刻槽的方法提高了晶片键合界面的质量。 1 2 2 键合技术的实质及主要方法 晶片键合技术是指将两个表面平整的晶片，通过表面清洁和表面处理后，经 过晶向对准，在室温下预键合到一起，然后通过高温热处理，使两个晶片的键合 界面以化学键的形式结合在一起的技术。晶片键合也被称为直接键合( d i r e c t w a f e r b o n d i n g ) 或熔合( f u s i n gb o n d i n g ) 。 目前，晶片键合的主要方法有： 1 热键合技术 热键合技术是由l a s k y 【6 】首先提出的，主要过程可分为两步：首先将两片镜 面抛光的晶片( 氧化或未氧化) 经过化学处理后，在室温下面对面粘贴在一起。 两晶片就会通过表面吸附的分子膜建立起氢键连接，这被称为预键合。然后对预 键合的晶片进行高温退火处理，使界面原子的排列发生重组和相互熔合，界面形 成牢固的共价键连接。这个过程就是热键合。其中，晶片表面的平整度、洁净度 和化学吸附状态是影响键合质量的内在因素，而键合温度和时间是影响键合强度 的外在因素。为了提高键合强度，有时还需要加压力以克服表面起伏，增加表面 原子问的成键密度。热键合的高温退火不可避免地造成杂质的互扩散、引入热应 力以及导致孔洞和缺陷的产生。因此热键合技术需要解决的主要问题是降低键合 过程中的退火温度。该技术对晶片表面的平整度和完整性要求较高，不适宜键合 含有铝的金属物器件，主要用于制作耐高温的s o i 材料和中等温度下i i i v 族材 料的键合。 z l l i a u ( 1 9 9 0 1 【8 j 将i n p 或g a a s 片放在石墨与石英制成的反应炉中( 如图 1 1 所示) 。石墨与石英具有不同的热膨胀系数，分别为9 x 1 0 6k 。和o 5 x 1 0 。k ， 高温热处理时石墨与石英产生不同的热膨胀压力作用于样品表面，p 型与n 型样 品被很好地熔合，熔合界面形成的p n 结可以发光。但p n 结界面偏离熔合结， 证明了样品在热处理过程中存在杂质的扩散。高温对键合界面质量的影响很大， 降低退火温度是键合技术需要解决的重要问题。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 图1 1 石墨与石英制成的键合反应炉 中国科学院上海冶金所的焦继伟等人【别( 1 9 9 4 ) 对低于5 0 0 的硅硅直接 键合( s d b ) 技术进行了研究。他们用h f ：i t 2 0 = 1 ：1 0 溶液去除s i 片天然氧化层， 再放入热的浓h n 0 3 中进行表面亲水性处理，然后在1 2 0 。c 条件下粘贴s i 片，获 得了较好的键合结果。键合强度可达到1 0 m p a 以上，与高温键合无明显区别。 他们根据s i m s ( s e c o n d a r yi o nm a s ss p e c t r o s c o p y ) 和t d s 测试结果得出：( 1 ) h 的吸附特性和运动特性与键合密切相关，( 2 ) 表面吸附态对s d b 有重要影响。 只要s i 片表面具有特定的、合适的吸附态，即使在低至1 2 0 的温度条件下， s d b 所需的反应也可以发生，并不需要8 0 0 以上的高温。他们认为，s i 片表 面同时吸附了足够数量的s i o h ( 或h 2 0 分子) 和s i h 是低温s d b 获得成 功的重要因素。其中s i o h 或h 2 0 分子之间能形成氢键，而与s i 一0 键和0 一h 键相比，s i h 键是最弱和最容易断裂的。因此，s i 片表面吸附的s i 一0 h 和h 2 0 分子之间的较强的氢键作用可以克服s i 片表面的微小不平整，将s i 片拉 到相当近的距离内形成紧密接触。只有在相当近的距离内，才可能在较低温度( 低 于5 0 0 ) 发生s i h 键的断裂而形成s i s i 键，最终达到键合目的。 由于晶片表面具有起伏，因此压力对于键合面积和强度具有一定程度的影 响。一般地，键合力在较高的温度下会有所增强。如果不加压力，s i f l n p 片在低 于4 0 0 的温度下不会键合，尽管范德华力和或氢键使片子在室温下粘在一起。 l e h m a n n 等人( 1 9 8 9 ) 【l o 】利用这种性质在中等温度( 1 0 0 4 0 0 ) 进行解 键合，这是由于热扩散速率不同所产生应力作用的结果。日本东京o k i 电子工 业有限公司的h i r o s h iw a d a 和t a k e s h ik a m i j o h 1 1j 发现样品热处理前在室温下加4 k g c m 2 的压强1 5 分钟，然后再在h 2 气氛中热处理，同时加3 0g c n l 2 的压强，在 4 0 0 时能够得到足够强的键合力，如图1 2 所示。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 t r e a t m e n tt e m p e r a t u r e ( 。c ) 图1 2 加压力和不加压力条件下键合强度随退火温度的变化 2 静电键合技术 静电键合又称场助键合或阳极键合，由w a l l i s 和p o m e r a n t z ( 1 9 6 9 ) 【l 副提出。 静电键合技术是在一定的电场作用下，主要将玻璃与金属、合金或半导体键合在 一起，而不用任何粘结剂。键合界面有良好的气密性和长期稳定性。 静电键合技术的基本原理可描述为：将抛光的s i 片表面与抛光的玻璃片表 面相接触( 如图1 3 所示) ，放在一块加热板上，温度一般为3 0 0 4 5 0 ， 两端接有静电电压( 2 0 0v 1 0 0 0v ) ，正极接s i 片，负极接玻璃。负极采用点 电极以便透过玻璃表面观察键合过程。在一定的温度下，玻璃中含有可动的正离 子n a + 和不可动的负离子。对于s i 片，随着温度的升高电阻率将因本征激发而降 至o 1 f 2 c m 左右。在直流电场的作用下，玻璃中的n a + 离子向负极移动，在移 动过程中不断地被复合而消失。在硅与玻璃界面附近，玻璃一侧由于移走了n a + 正离子，留下不可动的负离子，因而形成几个微米宽的正电荷的耗尽区。这样玻 璃表面耗尽层带负电荷，s i 片带正电荷，所以s i 片和玻璃之间存在较大的静电 吸引力，使二者表面的微小起伏发生弹性或塑性形变而紧密接触。静电引力的大 小主要与下列因素有关：总外加电压，玻璃与s i 片之间的间隙大小，玻璃中离 子的浓度分布等。静电键合技术是传感器封装的基本工艺之一，在电容式及压阻 式力学量传感器中的应用较为广泛【l3 1 。利用静电键合及背面腐蚀方法还可以制作 玻璃衬底的s o i 材料( 即硅薄膜，氧化硅玻璃衬底) 1 4 o 驰 蚰 加 o z o u l o j_il心二竹严芒：ex呵= 北京邮电大学硕士研究生学位论文 图1 3 静电键合装置 3 低温真空键合技术 晶片直接键合前用等离子体活化表面，在真空低温条件下就可实现较高的键 合强度。表面活化处理的等离子体由低压气体射频放电所产生。它由电子、离子、 分子分解的原子及自由激子等组成。晶片表面活化主要是通过离子对晶片表面的 机械撞击及溅射来增加悬挂键，对晶片表面赋能。电离过程中产生的原子和激子 各异，如a r 、0 2 、n 2 、n h 3 等，但它们对晶片表面活化效果并无显著影响。活 化了的表面具有很强的吸附能力，在较低的温度下，晶片键合界面就可具有较高 的键合强度。再经过适当温度的退火，键合界面的原子悬挂键很容易发生网络重 组，形成相当完善的共价键网络。由于这种技术相对于热键合技术大大降低了键 合温度，避免了不同材料间的热失配问题，所以广泛应用于光电子器件【i5 1 、微机 械智能系统、三维器件以及复杂的多层器件等。 t s u g a ( 1 9 9 2 ) 1 6 用离子束刻蚀的方法在超高真空( u h v ，u l t r a h i 【g h v s c u u m ) 条件下实现了两个样品的室温键合( 如图1 4 ) 。h t a k a g i ( 1 9 9 6 ) 【1 。用对化学净 化处理后的s i 片在压力小于2 1 0 - 6p a 真空条件下，对样品表面用a r 快速原子 束( a r - f a b ) 溅蚀5 分钟，充分去除了样品表面的玷污，如吸附气体、碳氢化 合物和自然氧化层，从而获得了活化后的纯硅表面。在1 m p a 的夕l d n 压强下两片 表面活化的s i 片室温键合到一起，键合强度与高于8 0 0 条件下的热键合结果相 似。 t a e k r y o n g c h u n g ( 1 9 9 7 ) 也利用表面活化键合( s a b ) 方法( 如图1 5 ) 在g a a s 衬底上室温真空键合了i n g a a s p i n p 激光器，研究结果表明a r - f a b ( 快 原子束) 对键合界面获得强的键合作用力起着关键性的作用，并且可以用任意材 料在任意方向上实现键合。样品在1 0 _ 7p a 的真空室中j t , 力l l2 0m p a 的压强实现 了室温键合。键合没有使界面的p l 谱峰强度发生明显退化，这表明键合过程没 有产生大的晶体质量损坏。v i 测试结果表明电流可以容易地流过键合界面， 激光器具有低的阈值电流密度5 0 0 a c m 2 。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 图1 4t a k a g i 的等离子体表面活化的真空键合设备 b 0 血n 8 a n a l y s i se h a m b e r e h a m b e r 图1 5t a e k r y o n gc h u n g 的等离子体表面活化的真空键合设备 尽管在通过离子束溅蚀晶体表面方法获得了室温键合的样品，但晶体表面仍 被溅蚀所破坏。因此这种方法是通过牺牲键合界面晶体质量来降低键合温度的。 超高真空条件下的晶片直接键合有利于保证表面的清洁，并且有助于键合界面气 体分子的排出，增加接触面积。t o s h i k ik a g a w a ( 19 9 6 ) 【1 8 峙艮道的键合方法是在 一个与g s ( 气相) 一m b e 系统连通的超高真空室中( 本底真空度1 0 “o t o n ) 进 行的，i n p i n g a a s 外延片在g s - - m b e 生长后未暴露空气就与超净s i 片键合。 由于i n p 层的表面i n 原子具有高的表面迁移率，可填充微小的间隙和孔洞，而 且在g s - - m b e 生长后的n p 表面悬挂键被p h 3 分解的h 原子终止，因此i n p 层 具有较好的键合作用力。所以将i i l p 层与s i 片相接触，样品在5 0 9 c m 2 的磁耦合 产生的重力压强下，在5 0 0 热处理3 0 分钟，即可实现键合。 北京邮电大学硕士研究生学位论文 k d h o b a r t ( 1 9 9 8 ) 0 9 1 对u h v 条件下( 1 0 “oy o r r ) 原子级清洁的p s i 与 n s i 低温直接键合形成的p n 结进行了研究。两个s i 片用t a 夹夹在一起，未外 加任何其他压力，2 0 0 退火1 小时后样品温度升到5 5 0 ，当真空压力跃升到 2 x1 0 - 8t o r t 时表明h 解吸。i r ( i n f r a r e d ) 图像和t e m ( t r a n s m i s s i o ne l e c t r o n m i c r o s c o p e ) 截面图像显示亲水表面在去h 后约3 5 0 时发生键合，键合界面光 滑，键合界面质量强烈依赖于样品表面的洁净度。因为对未被钝化的清洁s i 片 表面，表面能为1 3 6 j m 2 ，因此表面具有很强的键合驱动力。 4 薄膜直接键合技术 1 9 9 0 年y a b l o n o v i t c h l 2 0 1 利用腐蚀外延牺牲层( e t c hl i f t o f f ) 的方法剥离出薄 膜材料，然后将薄膜材料通过范德华力键合到表面光滑衬底材料上。其基本过程 是首先在晶格匹配的衬底上生长牺牲层和所需的薄膜材料，然后将其粘到涂有蜡 状物质的玻璃支撑片上，再用选择性湿法刻蚀技术除掉牺牲层，这样薄膜材料就 转移到了玻璃片上了。最后这种附着在玻璃片上的薄膜材料与光滑的衬底材料键 合，去掉蜡状物质，所需的薄膜材料就转移到了衬底上。薄膜材料容易形变发生 大面积的表面接触，因此比厚的材料更容易得到高强度的键合界面。由于所需的 薄膜材料生长在晶格匹配的衬底上，因此有很高的单晶质量。由于s i 片有较好的 机械强度，重量轻，导热性好，是集成电路的主要材料，因此一般用硅作为主衬 底。该工艺适于制作复杂的三维器件，被应用于l e d 阵列，激光器【2 甜，金属 氧化物半导体场效应晶体管( m 0 s f e t ) ，高电子迁移率晶体管( h e m t ) 等与 硅衬底的集成上。 h i r o s h iw a d a ( 1 9 9 6 ) 2 3 】利用这种薄膜直接键合的方法制作出硅基 i n g a a s p i n p 室温连续波工作的键合边发射激光器，具体工艺如图1 6 所示。首 先将i n o a a s p 量子阱外延片粘在玻璃片上，然后腐蚀掉i n p 衬底和刻蚀阻挡层， 将量子阱片有源区与硅衬底键合，去掉玻璃片，刻出台状条形激光器。他们发现 键合晶片热处理前在室温下加4k g c m z 的压强1 5 分钟，然后再在h 2 气氛中热处 理，同时加3 0g c m 2 的压强，在4 0 0 时p i n p s i 键合界面获得了足够强的键 合力。对于7 m 宽台阶的激光器，室温下连续波( c w ) 工作闽值电流为4 9m a ， 这是首次通过直接键合的方法获得s i 基i n p 激光器。他们测得键合后的p l 谱峰 强度是原来的9 0 ，x 线摇摆曲线半宽为5 0a r c s e c ，用h b r ：h 3 p 0 4 腐蚀液测得 的刻蚀坑密度( e p d ) 为2 1 0 4 e r a 2 ，这些说明键合界面具有很好的键合质量。 北京邮电大学硕十研究生学位论文 ( a ) 扣基星z 。 i s is u b i 图1 6 腐蚀外延牺牲层法( e l o ) 制作硅基键合激光器的工艺步骤 5 粘合键合技术 粘合键合也称为聚合物键合，是指利用聚合物薄膜来作为键合介质的键合 技术。粘合键合具有键合温度低( 可以低于1 0 0 ，这依赖于聚合体的选择) ， 与c m o s 集成电路相兼容，可以键合表面具有结构或图案的晶片( 图案或花纹 的高度要低于薄膜的厚度) ，高键合强度，低成本等优点。不足之处在于键合的 密闭性不好，热稳定性和时间稳定性有限。常用的聚合物有：环氧化合物、热塑 塑料和光刻胶等。这种键合方法主要用途在于封装、c m o s 混合集成电路和 m e m s m o m s 器件等，不适用于要求密封性极好的封装和在高温下使用的器件。 下表给出了各种键合方法之间的工艺条件及适用范围的比较。低温真空键合 技术由于其低温下高质量的键合界面而成为光电子集成工艺中的最佳选择，并且 该技术适用于大批量晶片的键合。但该技术工艺复杂，对晶片表面的清洁度要求 较高。尽管热键合技术的成品率较低，但它工艺相对简单，对晶片表面的清洁度 要求也较低，因而多被科研单位所采用。无论哪种键合技术，如何更好地提高晶 片表面清洁度和平整度，如何降低退火温度、提高洁净度以及设备条件都是键合 技术需要解决的重要问题。 键合技术 洁净度要一般键合 键合温度工艺设备键合质量 名称 求 材料 1 1 1 ，i v ， 热键合技 5 0 0 1 0 0 0 。c 简单中简单v 族半导一般 术 体 一 北京邮电大学硕士研究生学位论文 静电键合玻璃与导 3 0 0 4 5 0 。c 简单 中复杂好 技术 体，半导体 i i i ，i v ， 低温真空 3 0 5 0 0 。c复杂高复杂v 族半导很好 键合技术 体 1 1 1 ，i v ， 薄膜直接 3 0 5 0 0 。c复杂高简单v 族半导好 键合技术 体 i l l ，i v ， 粘台键合 1 0 0 。c简单 由 简单v 族半导 好 技术 体 1 2 3 键合技术的优势与应用 晶片键合技术有如下优点： ( 1 ) 构建复合材料，充分发挥不同材料的优点，制备新的集成器件； ( 2 ) 界面位错稳定，由于晶格失配产生的位错仅局限在键合界面区，不会迁 移到器件有源区影响器件的性能； ( 3 ) 键合强度大，键合的材料象体材料一样，完全适合于解理或切磨抛等机 械加工； ( 4 ) 与v l s i ( 超大规模集成电路) 技术的兼容性和其自身的灵活性； ( 5 ) 简化了现有工艺，降低了光电集成的难度； ( 6 ) 工艺设备简单，易于大规模生产。 目前，晶片键合技术主要应用于两个方向】：一个是硅基材料的直接键合： ( 1 ) 硅一硅之间的键合，用以制造超大规模集成电路和大功率器件的衬底；( 2 ) 硅一i i i v 族材料之间的键合，利用成熟的微电子工艺和i i i v 族材料的发光特 性，实现光电集成；另外一个是非硅基材料的键合，目前主要是i i i v 族材料 ( g a a s 、1 1 1 p 等) 之间的异质键合，通过键合工艺改善光电子器件性能和制造高 性能的准单片集成器件。 长波长激光器 微电子学的迅速发展使集成电路的工作频率和集成度日趋达到物理极限，仅 北京邮电大学硕士研究生学位论文 用电子作为信息载体已满足不了高速、大容量信息传输处理的要求。由于光子作 为信息载体具有高并行性及快速响应的特点，如果能够将长波长激光器作为信号 光源，通过光波导实现光路互连，那么互连光路系统将可以方便地与硅微电子电 路相集成，这样的光电子集成以及光集成必将满足未来高速大容量信息传输处理 的要求。它可以极大的提高光电转换端口的密度，从而增加数据流通量和并行 处理能力。 长波长i n p 基激光器的光信号频率处于石英光纤或硅光波导的低损耗窗口 内，并且由于有源区窄的带隙而具有低的阈值电压，因此长波长激光器成为长距 离光通信的理想光源。然而由于长波长i n p 基激光器低的特征温度、俄歇复合以 及价带内的吸收，使其功能落后于短波长( o 8 1 0 0 m ) 激光器。键合技术为改 进长波长激光器的性能提供了新的设计思路。这个技术的最突出优点就是可将两 种晶格大失配的异质材料集成在一起而保持良好的电学和光学界面。 长波长垂直面发射激光器( v c s e l s ) 在光通信和光互连方面较之边发射激 光器有显著优点。对于长波长i n p 基面发射激光器【2 ”6 】，与有源区品格常数相匹 配的i n g a