关键词——三维集成，光电协同设计，聚合物光波导，低温混合键合，可靠性验证

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一、引言

随着人工智能、机器学习及超大规模数据中心等数据密集型应用的指数级增长，对高带宽、低延迟计算的需求变得日益关键[1], [2]。传统的采用重分布层的电互连在长距离数据传输中面临物理限制，包括信号损耗、串扰和功耗问题。因此，为了维持下一代计算系统的性能，能够支持高带宽芯片间通信的高速转接板至关重要。

为突破这一瓶颈，光电协同设计应运而生，成为一种有前景的解决方案。该架构策略性地采用电互连进行短距离通信，而光互连则用于长距离数据传输，从而确保了可靠的信号完整性和高能效[3], [4], [5]。在本研究中，选择聚合物光波导是因为其具有独特的优势，包括优越的工艺灵活性、简便的加工技术、低温处理以及低热预算，这使其作为一种高性价比的替代方案，相较于传统硅基光电子技术受到了广泛关注[6]。

然而，传统有机基转接板的制造存在显著的翘曲问题，并且严重依赖化学机械抛光[7]。这些挑战不仅增加了制造成本，也限制了可堆叠的层数。为了解决这些问题，此前已通过使用临时键合和层转移技术开发出一种新型转接板，即“HRDL结构”[8], [9]。这种方法有效地消除了对化学机械抛光的需求，同时获得了翘曲极小的平坦表面[10]。凭借这些独特的工艺能力，HRDL平台提供了高I/O密度、与低温键合的兼容性以及实现多层架构的能力。

图1 采用HRDL结构的光电协同设计转接板

在本研究中，我们通过整合聚合物光波导的制造工艺，进一步拓展了HRDL结构，如图1所示。这种集成使得能够实现支持高带宽、长距离光传输的光电协同设计互连。为验证制造质量，使用光学显微镜和扫描电子显微镜对集成结构进行了确认。同时采用能谱分析来证实低温互连的机制，特别是揭示了铜扩散穿过钝化层到达键合界面，从而完成Cu-Cu混合键合的过程。此外，使用原子力显微镜测量了抛光前后波导端面的粗糙度。然后，对插入损耗进行了评估，并与仿真结果进行了比较。随后，进行了包括温度循环试验、高加速温湿度应力试验和高温存储试验在内的可靠性测试，以验证其热稳定性和湿稳定性的稳健性。

二、实验部分：工艺流程

采用HRDL结构的光电协同设计转接板的制造工艺如图2所示。

图2 光电协同设计转接板工艺流程

该工艺首先在玻璃载板上旋涂激光释放层，随后通过物理气相沉积沉积牺牲层和铜种子层。接着，通过电镀制造重分布层结构。然后，使用光刻法制备聚合物光波导。聚合物光波导的芯层被图案化为不同宽度，以评估不同的插入损耗。在RDL和聚合物光波导形成之后，将该结构与涂覆有包层聚合物的覆盖晶圆在180°C下键合30分钟。晶圆键合后，将组装好的晶圆翻转，使用355 nm绿光激光进行后续的激光剥离工艺。然后，使用氧感应耦合等离子体去除激光释放残留物，并用酸溶液蚀刻牺牲层。之后，将晶圆切割成单个芯片。

图3 测试载具示意图：改进型开尔文结构

在芯片集成之前，通过化学镀在金属表面沉积钝化层。使用倒装焊机在200°C下将顶部和底部芯片堆叠1分钟。热压键合步骤通过聚合物链的交联和缠结实现扩散和电介质键合，从而建立电气互连。该工艺实现了光波导与电互连结构的堆叠集成。在测量方面，使用带有O波段光源的边缘耦合器测量光学插入损耗。此外，采用改进的开尔文结构（图3）和菊花链结构（图4）来评估电阻的稳定性。

图4 测试载具示意图：菊花链结构

三、结果与讨论

A. 光学与电学性能表征

为评估所制造转接板的性能，对光学插入损耗和电学特性均进行了测量。

在光学测量方面，我们发现波导端面的粗糙度对耦合效率和插入损耗有显著影响。为了减轻粗糙度引起的散射损耗，采用了机械边缘抛光工艺。使用原子力显微镜评估抛光前后波导端面的表面形貌。

图5 波导端面的光学显微镜和原子力显微镜图像。(a)–(c) 抛光前的切割态表面：(a) 顶视图，(b) 横截面视图，(c) 原子力显微镜扫描结果。(d)–(f) 抛光后的处理表面。

如图5所示，由于晶圆经切割形成芯片，抛光前的波导端面（切割态）表现出明显的表面不平整。原子力显微镜图像中红色框内测得的均方根粗糙度约为8.009 nm。经过优化的抛光工艺后，观察到表面形貌显著改善。抛光后端面的原子力显微镜分析显示，波导芯层（红框）的均方根粗糙度降至3.359 nm，包层区域（蓝框）降至2.716 nm。

图6 抛光工艺前后粗糙度（Rq）和相关长度（Lc）对比。(a) 初始切割态样品。(b) 抛光后样品。

为验证抛光质量的一致性，对多个样品进行了统计分析。如图6所示，经过表面处理后，平均均方根粗糙度从7.57 nm显著降低至3.63 nm。同时，相关长度从187 nm增加到208 nm。这一增加表明表面不平整度降低，从而最大程度地减少了光学散射损耗。

因此，如图7(a)所示，抛光后的样品表现出比未抛光部分显著更低的光学插入损耗，证实了表面处理对于高性能光电互连的有效性。

图7 传播损耗对比 (a) 抛光工艺前后。(b) 仿真与测量数据。

此外，测量结果表明，较大的芯层宽度增强了光场在芯层区域内的限制，从而减少了泄漏到包层中的光场，并最大程度地降低了散射损耗。这一行为与仿真趋势高度吻合（图7(b)）。特别是对于大于10 μm的芯层宽度，仿真和实验结果均显示在O波段的传播损耗低于2 dB/cm。

图8 比接触电阻的累积分布

在电学性能方面，采用改进的开尔文结构实现了7.0776E-9 Ω*cm²的低比接触电阻，如图8所示，并且在多个芯片上观察到可比较的数值。此外，在图9中，菊花链结构的电阻随着节点数量的累积而线性增加。这些结果证实了该转接板具有高的电学性能、均匀性和稳定性。

图9 菊花链测量结果

B. 结构表征与键合界面分析

使用光学显微镜、扫描电子显微镜和能谱分析对同一层内光学与电学互连的结构完整性和成功集成进行了表征。

图10 (a) 光电协同设计结构示意图 (b) 光波导与电互连的横截面SEM图像。(c) 光波导的放大视图 (d) 电互连的放大视图

图10展示了键合结构的横截面扫描电镜图像。该图像验证了聚合物波导和铜互连是在同一共面平台上制造的。值得注意的是，键合界面呈现无空洞形貌，表明通过混合键合工艺实现的堆叠层之间具有优异的粘附性。

图11 键合界面的EDS元素线扫描

为了进一步研究互连机理，对键合界面进行了元素分析。图11和图12所示的能谱线扫描和点检测揭示了界面区域存在明显的铜信号。这证实了化学镀钝化层有效促进了顶部和底部芯片的低温键合。随后，在热退火过程中，铜原子通过晶界扩散进入钝化层。扩散的铜随后通过晶粒生长在界面处稳定下来，从而在低温下实现了牢固、高质量的Cu-Cu互连。

图12 键合界面的EDS元素点检测

                                    表1 EDS点检测分析

C. 光电协同设计转接板的可靠性测试

为了评估所制造的具有Cu-Cu和聚合物-聚合物混合键合特征的器件的耐用性和稳健性，使用改进的开尔文结构和菊花链结构进行了全面的可靠性评估。

1) 热机械稳定性

通过温度循环试验检验热机械稳定性，试验在-55°C和125°C之间循环，在250、500、750和1000次循环的间隔点监测电阻。该测试检验了承受由铜与周围聚合物之间热膨胀系数失配引起的应力的能力。

图13 TCT后菊花链累积节点的电阻

如图13所示，菊花链结构在1000次循环后表现出优异的稳定性，电阻仅轻微增加0.848%，而开尔文结构显示出2.59%的微小变化（图14）。这些数值完全在可接受的可靠性标准范围内。测试中观察到的电阻微小增加归因于应力引起的铜原子迁移，这在循环过程中导致互连中出现微空洞。

图14 TCT后的比接触电阻累积曲线

                               表2 TCT前后的电阻及其变化

                           表3 TCT前后的比接触电阻及其变化

2) 耐湿性

通过无偏高加速温湿度应力试验检验耐湿性，以评估键合界面的气密性以及材料在潮湿条件下的化学稳定性。试验在两种条件下进行：130°C/85%相对湿度下96小时，以及110°C/85%相对湿度下264小时。

图15 uHAST 96小时后菊花链累积节点的电阻

图16 uHAST 96小时后的比接触电阻累积曲线

图17 uHAST 264小时后菊花链累积节点的电阻

图18 uHAST 264小时后的比接触电阻累积曲线

如图15至图18所示，264小时后的电阻漂移比96小时后更为明显。这一结果表明暴露时间在性能退化中起着关键作用。观察到的电阻增加归因于湿气暴露的累积效应。长期暴露使水分子扩散通过聚合物，这给铜互连引入了额外的机械应力。同时，随着湿气渗透到金属表面，可能会加速铜的氧化，从而增加接触电阻。尽管存在这些退化机制，但在96小时和264小时，菊花链结构和开尔文结构的整体电阻漂移均保持在5%以内，验证了聚合物作为稳健的键合电介质和可靠的防潮屏障的性能。

              表4 uHAST 96小时前后的电阻、比接触电阻及其变化

             表5 uHAST 264小时前后的电阻、比接触电阻及其变化

3) 长期热可靠性

为验证长期热可靠性，在150°C下进行了1000小时的高温存储试验。该测试加速了老化过程，并评估了键合界面的界面扩散。

图19 HTS后菊花链累积节点的电阻

如图19和图20所示，在1000小时内，电阻变化微乎其微，菊花链结构为4.9792%，开尔文结构为0.7486%。这种稳定性意味着Cu-Cu界面没有明显的原子迁移或空洞形成。

图20 HTS后的比接触电阻累积曲线

               表6 HTS测试前后的电阻、比接触电阻及其变化

四、结论

本研究成功展示了一种通过低温混合键合实现的光电协同设计互连。通过利用化学镀钝化层，在铜晶界扩散的驱动下，于200°C下实现了聚合物波导与电互连的异质集成。实验结果验证了这一集成平台的优越性能：芯层宽度超过10 μm的波导表现出低于2 dB/cm的传播损耗，而电学测量显示出7.0776E-9 Ω*cm²的比接触电阻。此外，进行了包括温度循环试验、高加速温湿度应力试验和高温存储试验在内的可靠性评估，在所有条件下电学阻值变化均保持在5%以内。因此，本研究确立了所提出的光电集成方案作为下一代高带宽异质应用的一种可靠、高性能的解决方案。

1、National Yang Ming Chiao Tung University, Hsinchu, Taiwan; 

2、 MediaTek USA Inc., San Jose, CA, United States of America; 

3、Tokyo Electron America, Inc., Austin, Texas, United States; 4 Tokyo Ohka Kogyo Co., LTD, Japan;