低温晶片键合技术及在通信光电子器件中的应用
摘要：简单介绍了晶片键合的基本原理，指出了实现低温晶片键合的必要性；通过对比低温晶片键合技术的实现方式及其在通信光电子器件中的应用，指明表面改性是实现低温晶片键合的最有效手段。
关键词：低温晶片键合；光电子器件；表面改性
1引言
新一代光电子器件就是要实现光电子集成，但晶格失配的异质半导体材料的兼容问题却成为光电子集成道路上面临的最主要障碍之一。近年来才兴起的晶片键合技术属于准单片集成的范畴，它不受晶格失配度的限制，可以将异质半导体材料集成在一起，拓展了光电子集成的自由度。这样既解决了异质半导体材料的兼容问题，又充分利用了异质半导体材料的自身优点，大大提高了集成光电子器件的性能，因此成为集成光电子器件制备的最重要手段之一。
尽管晶片键合技术已经发展得比较成熟，但还是存在一些亟待解决的问题。其中如何按照器件的用途来优化和规范晶片键合工艺以及如何实现异质材料间的低温键合显得最为突出[1]。文中针对实现低温晶片键合的必要性和手段做了详细且深入的论述，同时列举了近几年来由低温晶片键合技术制备的若干通信光电子器件。
2 晶片键合的基本原理
所谓wafer bonding通常是指两片表面光滑平整的晶片紧密接触后，通过界面间形成共价键使二者融为一体。整个晶片键合过程可以简单地概括为表面处理、预键合和热处理3个部分[2]。表面处理主要是利用化学机械抛光来降低键合晶片的表面粗糙度（均方根值一般要小于1nm），然后利用化学溶液或等离子体对晶片进行清洗，去除晶片表面上附着的各种沾污，提高表面活性，同时获得特定的表面化学状态和表面终止；预键合主要是在室温下将表面处理好的晶片对准，并施加一定的外力，促使晶片对开始键合，同时采取一定的措施来避免键合表面上引入灰尘或颗粒；热处理主要是通过一定温度的退火在键合界面间形成共价键，增强界面间的键合强度，同时减少键合界面上形成的气泡或空洞。
键合界面的质量直接影响着集成器件的性能，而压力、退火温度、退火时间、气体环境等众多外部因素又直接决定着键合界面的质量。因此晶片键合完成后必须对键合界面的光学、电学和机械特性进行分析和评估，从而进一步优化上述各种参数以提高键合质量。
按照具体的实现方式可以将晶片键合分为直接键合[3]、阳极键合[4]与共熔键合[5]。其中直接键合不使用任何中间层材料，也不依赖于外部电场。一般来说，如果没有特殊说明，晶片键合就是指直接键合。
3 实现低温晶片键合的必要性和手段
3.1 必要性
晶片在室温下预键合好后，晶片对仅靠短程分子间作用力（如范德瓦尔斯力、静电力或毛细管作用力）粘合在一起，必须进一步高温退火以确保在晶片之间形成很强的共价键。一般来说，硅-硅直接键合的退火温度要高于1000℃，硅和III-V族化合物半导体直接键合的退火温度要高于600℃，III-V族化合物半导体之间直接键合的退火温度在 550~650℃之间[6,7]。
但高温退火又会带来很多严重的负面效应。如果键合晶片中已含有一些对温度敏感的器件结构，高温退火会导致其性能劣化，甚至失效。此外高温退火还会导致掺杂源扩散、金属引线熔化变形等。尤其是热失配较大的异质材料在预键合后经过高温退火处理，材料间不同的热膨胀系数会产生很大的热应力，热应力又会产生缺陷和位错，甚至会导致晶片破裂或完全不能键合，因此降低退火温度实现低温晶片键合具有十分重要的意义。
常规晶片键合过程中的高温退火主要是为了增加键合强度。与此相对应，低温晶片键合就是指在显著降低退火温度后，界面间的键合强度还能与高温退火条件下获得的键合强度相当，甚至更高。因此低温晶片键合技术所面临的最核心问题，就是如何在降低退火温度后获得足够的键合强度，同时又尽可能地保证键合后材料的电学和光学特性不会受到影响。
能否采用最经济、最有效的技术手段实现低温晶片键合，特别是异质材料间的低温晶片键合，直接决定着晶片键合技术能否得到更广泛的应用及其制备工艺是否具有更强的竞争力。
3.2 手段
3.2.1 表面活化
表面活化是利用特定的化学溶液或等离子体对键合晶片表面进行活化处理，不仅有效地去除了键合样品的表面沾污，更重要的是极大地提高了室温下键合样品的界面能，这样只需要较低的退火温度就可以获得足够的键合强度。目前多采用等离子体，特别是氧等离子体对键合样品进行表面活化处理来实现低温晶片键合 [8,9]。经过氧等离子体活化过的晶片表面上形成了光滑平整的氧化物薄膜，并表现出极强的亲水性，但键合界面的电阻也随之增大，这又限制了键合材料的某些应用。从本质上讲，等离子体表面活化就是利用等离子体来改变键合晶片的表面特性和结构。
采用表面活化技术的低温晶片键合属于直接键合，它仅在常规键合中增加了一道表面活化处理工序，而且等离子体表面活化可以在现有的感应耦合等离子体（ICP）、反应离子刻蚀（RIE）、电子回旋共振（ECR）或螺旋波等离子体（HWP）设备上进行。该技术的实现难点是如何针对键合材料的不同用途，优化等离子体的各项参数（电压、压力、密度等）以获得特定的表面状态。
3.2.2 表面改性
表面活化利用的是III-V族化合物半导体材料的表面湿法硫钝化原理 [10]。由于GaAs表面硫钝化机理和钝化技术方面的研究最为成熟，所以到目前为止，表面改性低温晶片键合还仅仅局限于GaAs/Si 的异质键合[11,12]。表面改性低温晶片键合的机理是：通过硫化物（SeS2）溶液有效地去除GaAs及其他III-V族化合物半导体表面上不稳定的本征氧化物层，生成了稳定且致密的硫化物层（其厚度直接决定着能否实现高强度键合），并能抑制表面再次氧化。在低温退火条件下，硫化物与GaAs和Si都可以发生反应形成很强的化学键（SiS2和Ga 2Se3）,进而完成GaAs/Si的异质键合。
表面改性低温晶片键合具有表面处理工艺简单、退火温度低、退火时间短、无需精确的晶向对准以及无需对键合晶片施加外力等优点。其实现难点是如何选择最合适的硫化物溶液进行表面改性，如何根据晶片键合质量精确地控制硫化物的浓度以及晶片在硫化物溶液中的浸泡时间。
3.2.3 中间层
中间层是在经过表面处理的晶片表面上蒸镀特殊的中间层材料（金属或聚合物），利用中间层材料的低温共熔或相互反应来实现高强度的键合（属共熔键合）。键合原理见图1。由于在键合界面上引入了中间层材料，因此肯定要影响到键合界面的状态，进而影响键合材料的光学或电学特性。该技术的实现难点是如何选择最合适的中间层材料，既能保证获得高的键合强度，又不影响键合材料的光学和电学特性。
3.2.4 超真空
在超真空状态下，先通过特殊的控制装置将预键合好的晶片对分开一定的间距，然后利用高温加热促使疏水性晶片表面上的氢原子脱附，或亲水性晶片表面上的氧化物升华，从而获得了没有任何吸附物的洁净平整表面，最终将晶片重新贴紧，在室温或较低退火温度下完成晶片的直接键合[13-15] 。
超真空低温键合只需要施加很小的外力来促使晶片键合自动开始，可以实现大面积晶片键合，但是它仅局限于Si-Si的直接键合，需要在洁净室内完成晶片对的预键合，需要使用昂贵的超真空键合设备。该技术的实现难点是如何获得并保持极高的真空度，如何减小超真空键合设备内的颗粒污染，如何控制加热温度和加热时间以便有效地去除晶片表面上的吸附物以及如何降低大批量低温键合的成本。
3.2.5 表面活化和超真空
表面活化技术和超真空技术在低温晶片键合中的组合应用，属于直接键合。到目前为止，基本上都是利用高能氩原子束轰击半导体材料进行表面活化，然后在专门设计的一体式超真空设备上完成室温键合[16-18]，不需要任何退火过程。键合设备的结构见图2。由于受到键合设备的自身限制，无法实现大面积的晶片键合。该技术的实现难点与超真空键合类似。
4 低温晶片键合技术应用
晶片键合技术已广泛应用到微电子、光电子和
微机械等领域。目前已经制备出可见光LED、长波长激光器、Si基InGaAs雪崩光电二极管、谐振腔型探测器等众多高性能的光子器件以及MOEMS器件、OEIC、集成光隔离器、高效太阳能电池等光电子器件 [19]。上述器件同样也可以通过低温晶片键合技术来制备。
日本东京大学的Chung等人，利用低温键合技术在GaAs衬底上制备1.3mm InGaAsP/InP应变量子阱脊型波导激光器[20]。激光器晶片和n-GaAs衬底在10-6Pa真空下用高能氩原子束轰击30s进行表面清洗和活化，然后在10-7Pa超真空下进行室温键合，整个键合过程中都对样品施加20MPa的外力使其紧密接触。键合后经测试，该激光器的阈值电流密度为 500A/cm2（与利用MOCVD外延生长的1.3mm 应变量子阱激光器相当），电流在键合界面流通顺畅，PL谱的峰值强度没有劣化。
1999年，美国Nova Crystals公司的研究人员利用低温晶片键合技术首次研制成功了Si基850nm 氧化限制型VCSEL[21]。GaAs VCSEL晶片和Si衬底在抛光清洗以后，表面蒸发上特殊的活性层材料（成分没有提及），在80℃高湿度下退火18h，通过活性层材料的相互反应完成了 GaAs-Si高强度键合。该激光器的微分量子效率可达53％，室温无热沉下输出光功率为7.1mW。
此外美国伊利诺斯大学的 Lin等人利用低温键合技术在Si衬底上制备1.55mm GaInAsP/InP VCSEL[22,23] ，其结构如图3所示。用电子束蒸发在MOCVD外延生长的GaInAsP/InP有源层上沉积Si/ AlOx DBR，然后在它和硅衬底上蒸镀多层AuGeNiCr金属薄膜，经过适当清洗后完成预键合，紧接着在轴向压力作用下在320℃低温下退火，通过金属薄膜间的共熔完成高强度键合。它的激射波长是1.545mm，开启电压是0.8V，室温脉冲激励下最大输出功率为2 mW。
近年来磁光石榴石晶体与III-V族化合物半导体材料之间的低温直接键合技术也获得了成功。东京理工大学的Yokoi等人利用该技术首次实现了具有 InGaAsP波导层的非互易相移式光隔离器[24]。经过氧等离子体活化后的InGaAsP表面以及磷酸浸泡后的Ce:YIG表面都具有很好的亲水性，样品在室温下预键合后，又在220℃氢气环境下退火90 min，退火过程中始终对样品均匀施加320g/cm2 的外力。采用低温键合技术的非互易相移式波导型光隔离器如图4所示，测试表明，该光隔离器在 1550nm工作波长下的非互易相移为24°，反向隔离度接近4.9dB。
5 结论
通过对比低温晶片键合的各种实现方式，可以明显看出表面改性是实现低温晶片键合的最有效手段。目前本课题组正在利用硫化物溶液对InP和 GaAs衬底进行表面处理，借助其研究不同III-V族化合物半导体材料之间的低温晶片键合技术。
