背景
在硅衬底上外延生长GaAs等IIl~IV族化合物并采用金属有机化学气相沉积的方法已得到广泛研究。然而，这些方法通常由于晶格失配较大而导致穿线位错密度较高，而由于Si和III-IV族化合物半导体之间的热膨胀系数差异较大，因此会产生较大的残余热应力。为了克服这些问题，人们重新审视了其他传统的直接键合技术。但这些工艺的高温退火可能引起许多问题，例如杂质掺杂、热应力引入、缺陷产生和金属布线损坏。
解决方案
因此，人们开发了一种新的晶片直接键合技术。在键合过程中，称为表面活化键合(SAB)，待键合的表面经过溅射清洗并通过氩气快原子束(FAB)轰击活化，然后在超高真空中相互接触。利用SAB方法，在室温下成功地键合了GaAs-Si和InP-Si晶片。
我们常见的键合技术 有硅玻璃键合 金金键合，金锡键合，金硅键合，临时键合等等 。但是当我们遇到一些需要低温键合，或者一些特殊材料时，或者应用场景时，上述键合方式很难满足一些特殊场景的应用，
因此科学家提出了表面活化键合技术，这种技术 使键合技术所覆盖的材料范围更加广泛，比如
GaAs-SiC，InP-Diamond， LN-SiC，Si-Si，GaN-Dlamond,Sl-Diamond,蓝宝石-蓝宝石，金刚石-sic, sic-inp,sic-LN, ic-ga2o3,glass--glass，Si-SiC，Si-GaAs、GaAs- SiC、Si–SiC、SiC–SiC、Ge–Ge 、Al 2 O 3 -Al 2 O 3 ，GaP-InP， GaN-Si、LiNbO 3 -Al 2 O 3 、LiTaO 3 -Si and more(晶体ybyag,ndyvo4，zns,陶瓷，等等)
扩展的多材料的体系，将键合技术扩大了应用范围
*MEMS传感器 *光子集成电路 *半导体激光器
*功率器件 *3D封装 *异质集成
划重点--代工，代工，代工，卖设备
我们为客户提供晶圆（硅晶圆，玻璃晶圆，SOI晶圆，GaAs，蓝宝石，碳化硅（导电，非绝缘），Ga2O3,金刚石，GaN（外延片/衬底）），镀膜方式（PVD,cvd,Ald，PLD）和材料（Au Cu Ag Pt Al Cr Ti Ni Sio2 Tio2 Ti3O5，Ta2O5,ZrO2,TiN，ALN,ZnO,HfO2。。更多材料），键合（石英石英键合，蓝宝石蓝宝石键合）光刻，高精度掩模版，外延，掺杂,电子束直写等产品及加工服务(请找小编领取我们晶圆标品库存列表，为您的科学实验加速。
激光器芯片/探测器芯片/PIC芯片封装耦合服务"
请联系小编免费获取原文，也欢迎交流半导体行业，工艺，技术，市场发展
摘要
在硅衬底上外延生长GaAs等IIl~IV族化合物并采用金属有机化学气相沉积的方法已得到广泛研究。然而，这些方法通常由于晶格失配较大而导致穿线位错密度较高，而由于Si和III-IV族化合物半导体之间的热膨胀系数差异较大，因此会产生较大的残余热应力。为了克服这些问题，人们重新审视了其他传统的直接键合技术。但这些工艺的高温退火可能引起许多问题，例如杂质掺杂、热应力引入、缺陷产生和金属布线损坏。因此，人们开发了一种新的晶片直接键合技术。在键合过程中，称为表面活化键合(SAB)，待键合的表面经过溅射清洗并通过氩气快原子束(FAB)轰击活化，然后在超高真空中相互接触。利用SAB方法，在室温下成功地键合了GaAs-Si和InP-Si晶片。
1.引言
各种材料的单片集成将提供新型的集成器件，如光子和光电子集成电路。然而，不同材料的集成必须克服材料性质的不匹配，如晶格常数和热膨胀系数的差异。例如，硅的优异材料性质，如高机械强度、低重量和高热导率，使硅成为GaAs器件和其他II-V族化合物半导体的理想支撑材料。因此，GaAs和其他II-V族化合物在硅上的外延生长和金属有机化学气相沉积已被广泛研究。然而，由于Si和GaAs之间的晶格失配很大，这种方法通常会导致相当高的位错密度，而传统方法无法完全降低这种密度。为了克服这些问题，人们重新审视了其他传统的直接键合技术[1-3]。但是，这些工艺的高温退火可能会引起许多问题，例如掺杂杂质、热应力引入、缺陷产生和金属布线损坏[4-6]。为了避免这些方法的缺点并充分利用硅衬底的优势，开发了一种将晶片直接键合到硅衬底的新技术。在键合过程中，称为表面活化键合（SAB），待键合的表面经过溅射清洗，并用氩气快原子束（FAB）轰击活化，然后在超高真空中相互接触。铝和除一些贵金属以外的其他金属已经成功地与硅和金刚石键合，与各种金属如铝、铟、锡、铅、铜、银、金键合，与陶瓷如Al₂O₃、SiC、Si₃N₄、AlN、ZrO₂和高温超导YBCO陶瓷键合[7-9]。该方法的主要概念是基于这样的思想：干净的表面本质上是活性的，即使在室温下，它们也会与氧、氮和碳等其他元素发生反应采用SAB方法，在室温下成功实现了GaAs-Si及InP-Si晶片的键合。
2.实验
实验所用样品为Si-350μm(100)、GaAs-560μm(100)和InP-350μm(100)晶片，尺寸约为10 mm×10 mm。InP晶片掺杂了Fc。这些样品首先在丙酮、乙醇和去离子水中清洗以去除光刻胶和切割用蜡。然后将Si晶片浸入H₂SO₄H₂O₂=4：1的混合液中，温度为80°，持续10分钟。InP和GaAs晶片浸入丙酮和乙醇中。图1是表面活化键合装置的示意图。该装置由超高真空室、俄歇分析室、转移室和带有快原子束源的制备室组成。用氩原子束溅射刻蚀对机械和化学抛光的样品表面进行激活。刻蚀条件为施加电压1.5kV，每个枪的等离子电流15mA。在10-⁶Pa的真空条件下，用氩原子轰击表面300s进行激活。蚀刻后，将两个样品在10-7Pa的真空条件下以20MPa的推力接触。快原子束（FAB）轰击结束和键合开始之间大约有20分钟。为了检查键合界面处的空隙，我们使用了OLYMPUS UH Pulse 200的声学显微镜系统。
图1.表面活化键合（SAB）装置示意图
为了制备用于 TEM 观察的薄箔，用低速金刚石锯将环氧树脂加固的粘合接头切成 1 毫米的薄片，并用 #1500 砂纸机械抛光至约 500 微米，然后用凹坑抛光至约 50 微米。最终减薄是在 Gatan-600 离子铣削机中使用 4kV 枪电压和约 1.0 mA 枪电流以离子束减薄的方式进行的。
3.结果与讨论
图2是采用表面活化键合方法在室温下键合的Si-GaAs晶片的声学显微镜形貌图。Si和GaAs晶片连接良好。光学显微镜和电子显微镜均未观察到微缺陷。接头的平均抗拉强度约为10MPa。键合条件和实验的主要结果列于表1中。
键合表面Si.InP和GaAs均为(100)晶体。沿键合轴的取向差约为0-10°。对于InP/Si系统，在键合前在InP表面掺杂Fe以增强其性能。对键合界面的HREM研究表明，两种情况下可能都存在看似完美的非晶层。图3和图4是SAB键合样品中界面边界的TEM图像。TEM结果总结如下。
3.1.InP/Si
(1)在 InP（掺杂层）和 Si 之间观察到 200nm 的中间层，经选区电子衍射确定为非晶态。观察到的非晶态层似乎是从硅中生长出来的，这是由 Si/非晶态界面的形态判断的。由于残留的水分环境，在 SAB 和键合之间的 20 分钟间隔时间内可以形成该非晶态层(2)似乎存在某种 30-50nm 大的沉淀物，嵌入 InP 基质中。然而根据 HRTEM 照片，尽管基质和沉淀物之间存在鲜明的对比，但晶格图像在基质和沉淀物之间是连续的。颗粒太小，无法进行选区衍射
图2. 室温下用SAB法制备的Si-GaAs晶片的声学显微镜形貌。
3.2.GaAs/Si
1)Si/非晶界面和GaAs/非晶界面均表现完美。
(2)对Si/非晶界面和GaAs/非晶界面进行HRTEM分析。
在键合前用FAB 300 s活化的样品中，形态与键合前基本相同。在Si-GaAs晶片中，在小于100000倍的TEM下没有观察到明显的中间层。键合强度似乎比以前更高。
根据HRTEM研究，虽然基体和沉淀物之间存在鲜明的对比，但晶格图像在它们之间是连续的。然而，两个粒子太小，无法进行选区衍射。根据EDX/TEM分析，中间层主要由硅组成。
图3. 室温下用SAB法制备的Si-GaAs晶片的TEM图像。
图4.室温下用SAB法制备的Si-InP晶片的TEM图像。
HRTEM观察发现，虽然基体与析出物之间存在着强烈的对比，但晶格像在基体与析出物之间是连续的，但粒子太小，无法进行选区衍射。EDX/TEM分析表明，中间层主要由硅组成。
4.结论
综上所述，采用表面活化键合方法，在室温下成功键合了GaAs(100)-Si(100)和InP(100)-Si(100)晶片。在垂直于键合界面的切割和机械研磨后，没有观察到裂纹或孔隙，因此键合成功。在Si-GaAs晶片中，对界面边界的总体观察表明，沿界面存在厚度为2-3nm的中间层。采用表面活化键合法可以制备Si基IⅢ-VI族光学器件,中间层主要由硅组成,但这些结果还需要进一步详细的实验研究来证实。
