专业高效
微纳加工公司

摘要

我们提出了一种使用激活的硅（Si）原子层的常温晶圆键合方法，并验证了该方法在制造基于玻璃或蓝宝石的铌酸锂氧化硅（LNOI）器件方面的有效性，尤其是在射频光子应用中。通过该方法，成功地将四英寸的LiNbO3（铌酸锂）薄膜制造在玻璃或蓝宝石晶圆上。所制造晶圆的拉伸强度超过23 MPa，表明LiNbO3与玻璃或蓝宝石晶圆之间的键合非常牢固。对键合界面原子结构的分析确认，激活的Si原子层在LiNbO3/玻璃和LiNbO3/蓝宝石界面中作为粘合剂非常有效。此外，存在于键合界面的非晶硅原子层在包括用于通信的近红外波段在内的宽波长范围内表现出了较高的透光性。实验结果表明，所提出的晶圆键合方法具有在光通信领域，尤其是宽带行波调制器等LNOI器件制造中的潜力。

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，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

1. 引言

铌酸锂（LiNbO3）在绝缘体上的薄膜（LNOI）晶圆，其铌酸锂薄膜与低折射率材料相结合，已经引起了射频（RF）光子应用的广泛关注，包括电光（EO）调制器。[1–7] 玻璃和蓝宝石是这些应用中有前景的绝缘材料，因为它们具有低折射率、低介电常数和高透明度。由铌酸锂与玻璃或蓝宝石结构组成的LNOI电光调制器预计能够实现器件的小型化和低功耗，并展现出电光调制带宽的改善特性。传统上，铌酸锂薄膜在绝缘晶圆上的制备通常采用溅射技术。[8,9] 然而，这种方法导致薄膜的晶体和光学质量低于块体晶体。因此，为了获得适合于高性能光电器件制造的高质量材料，铌酸锂与玻璃或蓝宝石的直接键合是必需的。

近年来，水合作用键合技术（hydrophilic bonding）[10–14]，其涉及等离子体激活，已经成为主流方法，其中应用了双步等离子体激活变体，将铌酸锂与玻璃键合在芯片规模上。[15] 该方法在暂时键合后需要在150°C下退火，以实现较高的键合强度。然而，铌酸锂与玻璃的热膨胀系数（CTE）之间的显著不匹配（铌酸锂：沿a轴和b轴为14.4 × 10⁻⁶ K⁻¹，沿c轴为7.5 × 10⁻⁶ K⁻¹，玻璃：0.56 × 10⁻⁶ K⁻¹）[16,17] 会导致键合过程中晶圆的开裂和翘曲。此外，尽管之前已使用紫外光（UV）环氧树脂作为键合剂，[18] 但使用有机胶粘剂在可靠的光电器件制造中并不理想。因此，常温固态键合铌酸锂与玻璃或蓝宝石晶圆将有助于减轻由它们不相似的热膨胀系数（CTEs）引起的不良影响。

尽管应用有限，表面激活键合（SAB）方法[20–25] 是一种有前景的常温固态键合方法。为了克服这一限制，最近报告了使用激活金属薄膜作为中间材料的改进SAB[26–29] 和原子扩散键合方法[30,31]。然而，在LNOI光电技术中，键合界面存在中间金属层可能会导致不希望的光传输损失。[32] 因此，之前我们将金属层替换为Si（硅），因为硅在红外区域，包括光通信波段，具有很高的透明度。[33,34] 然而，对于超宽带电光行波调制器的应用，基于玻璃或蓝宝石的LNOI（由于其低介电常数）比基于硅的LNOI更为理想，因为前者在射频与光信号之间的速度匹配性更好。此外，蓝宝石由于其低介电损耗系数，是射频光子应用中的有前景的绝缘材料。迄今为止，只有少数研究专注于铌酸锂与玻璃或蓝宝石的常温键合。此外，我们认为之前开发的键合方法可以用于键合这些材料。

因此，在本研究中，我们提出了一种新型的常温键合方法，用于将铌酸锂与玻璃和蓝宝石晶圆结合，以制造射频光子应用器件，如超宽带电光行波调制器。研究了键合界面处硅原子层的附着强度和透光性。通过测定产品的键合强度和透明度，并与使用标准SAB方法制造的产品进行比较，验证了该方法的有效性。

图 1.
（a）铌酸锂（LiNbO3）（未处理）、
（b）玻璃（未处理）、
（c）铌酸锂（LiNbO3）在硅原子层沉积后表面形貌。

图 2.
（a）LiNbO3/玻璃晶圆键合，
（b）LiNbO3/蓝宝石晶圆键合，使用硅原子层。

2. 实验方法

为了在常温下使用激活的硅（Si）原子层将铌酸锂（LiNbO3）晶圆与玻璃或蓝宝石晶圆键合，准备了4英寸的LiNbO3晶圆（厚度：500 µm）和4英寸的玻璃晶圆（厚度：550 µm）或4英寸的蓝宝石晶圆（厚度：700 µm）。对于LiNbO3/玻璃键合晶圆，LiNbO3是x轴切割；对于LiNbO3/蓝宝石键合晶圆，LiNbO3是z轴切割，蓝宝石为单晶C面。

表面粗糙度在常温键合中起着至关重要的作用。[35,36] 本实验中用于键合的晶圆表面粗糙度通过原子力显微镜（AFM；Bruker Dimension Icon）在敲击模式下进行测量，扫描范围为1 µm × 1 µm。测量数据通过Bruker的Nanoscope分析软件进行分析，采用均方根（RMS）值。

氩气快速原子束（Ar FAB）是一种中和加速的原子束，用于在SAB中激活半导体晶圆表面。在本研究中，Ar FAB被用来形成激活的硅原子层。首先，将LiNbO3晶圆、玻璃晶圆和硅靶材放入真空腔体中。在键合实验开始时，腔体内的真空度为1.0 × 10⁻⁵ Pa。然后，氩气FAB（加速电压：1.5 kV）被照射到硅靶上，并在玻璃晶圆上沉积激活的硅原子层。硅靶被更换为LiNbO3晶圆，氩气FAB照射到玻璃晶圆上的激活硅原子层。沉积在玻璃晶圆上的硅被溅射并沉积到LiNbO3晶圆上。通过这些过程，在LiNbO3和玻璃晶圆上形成了一个原子级别的激活硅原子层。这个激活的硅原子层随后能够在常温下进行键合。上述过程随后重复进行，以实现LiNbO3与蓝宝石晶圆的键合。在标准的SAB方法中，LiNbO3与玻璃或蓝宝石的表面通过氩气FAB激活后，进行常温键合。

使用所提方法和标准SAB方法制造的键合晶圆的键合强度通过刀片测试、拉伸测试和切割测试来确定。在刀片测试中，刀片被插入到粘接界面中，键合强度通过以下公式估算；[37,38]：

其中，G是能量释放率，表示键合能量；tb是刀片的厚度；t1和t2是晶圆的厚度；E1和E2是晶圆的杨氏模量；L是裂纹长度。在本研究中，刀片测试是在常温大气中进行的。之前的研究表明，使用硅作为中间层的SAB方法，无论是在真空中还是在常温大气中进行刀片测试，结果几乎相同。[38] 键合能量的大小可以作为键合强度的衡量标准。在拉伸测试中，键合芯片的两侧用环氧树脂胶粘剂固定在金属夹具上，以确保拉伸应力垂直于键合界面。切割测试是一种基于是否有碎片产生的键合强度测试，当在10 mm²的键合芯片上进行0.5 mm方形的半切割时，测试是否有碎裂发生。

图 3.
（a）LiNbO3/玻璃的拉伸强度改善，
（b）LiNbO3/蓝宝石的拉伸强度改善。

图 4.
将晶圆切割成0.5 mm方形的键合芯片：
（a）LiNbO3/玻璃，
（b）LiNbO3/蓝宝石。

图 5.
LiNbO3/玻璃键合界面的横截面透射电子显微镜（TEM）图像：
（a）低倍放大（×50,000），
（b）高倍放大（×500,000）。

图 6.
LiNbO3/蓝宝石键合界面的横截面透射电子显微镜（TEM）图像：
（a）低倍放大（×50,000），
（b）高倍放大（×500,000）。

通过日立高科技H-9500透射电子显微镜（TEM）在原子级别检查了键合界面。加速电压为300 kV，分析模式为成像模式，观察分别在低倍放大（×50,000）和高倍放大（×500,000）下进行。通过日立高科技HD-2700扫描透射电子显微镜（STEM）和EDAX Elite-T能量色散X射线光谱仪（EDX）分析了键合界面附近的元素分布。加速电压为200 kV，分析模式为TE模式。在EDX分析中，采用MThin方法进行半定量分析，并使用铝（Al）和铜（Cu）标准样品进行校准。此外，为了研究键合界面状态，在刀片测试后的脱粘表面通过X射线光电子能谱（XPS）和IONTOF TOF-SIMS5飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）进行了分析。表面测量通过XPS（岛津Kratos AXIS-ULTRA）进行，采用单色Al Kα源，发射电流为5 mA，阳极高压为15 kV，腔体内压力低于1.0 × 10⁻⁶ Pa，升高角度为30°（相对于水平面），背景处理采用Shirley方法，C 1s的峰值位移在285 eV进行修正。在TOF-SIMS中，飞行时间通过使用C和CxHy（烃类）理论质量数对质量数进行校准。

此外，使用岛津SolidSpec-3700光谱光度计评估了键合的LiNbO3/玻璃晶圆的透光率和反射率，以研究激活硅原子层的光学吸收。光信号的波长范围为500至1,650 nm，垂直射向键合芯片，并测量透射功率以确定传输特性。对于反射率测量，光在相同波长范围内以与垂直方向成5°角的角度照射到样品上。

图 7.
（a）LiNbO3/玻璃界面的STEM-EDX剖面，
（b）LiNbO3/蓝宝石界面的STEM-EDX剖面。

图 8.
XPS分析中（a）LiNbO3侧和（b）玻璃侧的Si 2p峰。

图 9.
（a）Li⁺、（b）LiO₂⁻ 和（c）Nb 的映射图及通过TOF-SIMS测量的脱粘表面峰值结果。

图10. (a) 由所提方法和标准SAB方法制备的键合芯片的透过率和 (b) 反射率。

3. 结果与讨论

用于键合实验的晶圆的表面粗糙度通过AFM测量。图2显示了使用硅原子层键合的LiNbO3/玻璃和LiNbO3/蓝宝石晶圆。虽然在LN/蓝宝石键合晶圆的界面上观察到一个由颗粒引起的空隙，但大多数晶圆的表面都确认了可见的粘附。

为了评估键合晶圆的键合强度，首先在大气环境中进行刀片测试。结果显示，使用硅原子层的LiNbO3/玻璃键合晶圆的键合能量（G）约为1.8 J/m²。而通过标准SAB方法键合的晶圆的G值约为0.6 J/m²，显然不足以承受器件制造过程中的应力。刀片测试也对使用提议方法和标准SAB方法制造的LiNbO3/蓝宝石进行。但由于无法将刀片插入键合界面，因此无法估算其G值。至于为什么刀片无法插入，原因尚不清楚。因此，通过拉伸测试和半切铣削测试评估了LiNbO3/蓝宝石的键合强度。将键合晶圆切割成10mm的方形芯片，并对其进行拉伸测试。LiNbO3/玻璃键合晶圆的低键合强度表现为切割时出现不规则的碎片。毫无疑问，使用标准SAB方法制造的LiNbO3/玻璃的拉伸强度约为0 MPa，而使用硅原子层的LiNbO3/玻璃的拉伸强度约为24 MPa（图3（a））。这些结果确认了基于硅原子层键合的提议方法显著提高了LiNbO3/玻璃的键合强度，远优于标准SAB方法。相比之下，使用提议方法和标准SAB方法制造的LiNbO3/蓝宝石的拉伸强度分别为23 MPa和2 MPa（图3（b））。这些结果确认了标准SAB方法难以应用于这些材料的制造，而提议的方法在提高键合强度方面更为有效。

接下来，使用切割锯对键合芯片进行半切铣削，制造0.5mm的方形芯片。如图4所示，在此过程中没有发生脱粘，表明键合界面能够充分承受亚毫米级别的切割。这些结果表明，能够实现强大的键合强度，足以满足LNOI光子器件应用的需求。

图5显示了LiNbO3/玻璃键合界面的横截面TEM图像：（a）低倍（×50,000）和（b）高倍（×500,000）。在图中，观察到LiNbO3和玻璃晶圆之间的键合界面处有约7nm厚的非晶硅层。没有观察到纳米空隙，并且观察到原子级别的粘附。因此，TEM结果表明，Si原子层/LiNbO3和Si原子层/玻璃界面之间具有完全的原子粘附。此外，LiNbO3晶圆在键合界面附近的结晶性得到了保持。在标准SAB方法中，对待键合的两片晶圆都进行Ar基FAB轰击，因此每片晶圆的表面都会受到几纳米厚的非晶层损伤。相比之下，使用硅原子层键合时，晶圆表面的Ar FAB轰击不是必须的，因此可以避免LiNbO3和玻璃的结晶性显著降低，如图5（b）所示。

图6显示了LiNbO3/蓝宝石键合界面的横截面TEM图像：（a）低倍（×50,000）和（b）高倍（×500,000）。在LiNbO3和蓝宝石晶圆之间的键合界面上观察到约7nm厚的非晶硅层。确认了LiNbO3的原子级别粘附和结晶性。图5和图6中的结果与之前的报道一致[33,36]，确认了已经实现了纳米级别的强粘附。

图7显示了通过扫描透射电子显微镜（STEM）结合EDX分析的LiNbO3/玻璃和LiNbO3/蓝宝石界面的元素分布。在LiNbO3/玻璃界面上，检测到了Si、Nb、O和Ar。在LiNbO3/蓝宝石界面上，除了Si、Nb、O和Ar，还检测到了来自蓝宝石晶圆的Al。在两个样品中，由于Si靶材的FAB处理，检测到了少量的Ar。而在LiNbO3和玻璃晶圆中没有检测到Ar，因为它们没有经过Ar FAB处理。此外，从图7（b）中可以观察到，蓝宝石晶圆中的Al扩散到了硅原子层和LiNbO3晶圆中。由于LiNbO3/玻璃和LiNbO3/蓝宝石的拉伸强度相似，因此这种扩散预计对键合强度影响不大。

接下来，在刀片测试后，对脱粘的LiNbO3和玻璃表面进行了XPS分析。图8显示了对未处理表面、硅原子层沉积后的表面和脱粘表面的Si 2p峰进行XPS窄扫描测量的结果，分别是（a）LiNbO3侧和（b）玻璃侧。未处理的LiNbO3表面没有检测到Si峰，但在硅原子层沉积和脱粘后，SiOx（x表示氧化层）峰被检测到。此时的SiOx峰可能是由于硅原子层在刀片测试过程中暴露在空气中发生自然氧化所致。在玻璃侧，仅在未处理的玻璃表面检测到SiOx峰，但在硅原子层沉积和脱粘后的两个表面都检测到了SiOx和Si峰。在这种键合方法中，在LiNbO3侧引入了大约2nm厚的均匀面内激活硅原子层，而在玻璃侧的硅原子层约为5nm，以增强两者之间的强粘附。玻璃侧的硅原子层比LiNbO3侧更厚，因此仅在玻璃侧清晰地检测到了纯Si峰。由于硅原子层沉积和脱粘后，LiNbO3和玻璃表面上的Si峰形态几乎没有变化。结果表明，刀片插入时发生脱粘的部位接近原始键合界面。此外，我们可以看到LiNbO3-激活硅原子层和玻璃-激活硅原子层之间有足够的粘附，确认硅作为中间层材料在键合强度方面是合适的。

为了更详细地研究键合界面的原子结构，利用TOF-SIMS（飞行时间二次离子质谱）对脱粘表面进行元素分布分析，分析对应原始键合界面的表面元素分布。图9显示了通过TOF-SIMS对Li+、LiO2-和Nb-进行的表面元素分布分析，包含60 µm × 60 µm的面内映射和峰值测量，分别是（a）Li+、（b）LiO2-、（c）Nb-，测量的是LN和玻璃的断裂样本表面。未观察到任何元素在脱粘表面平面的分离，确认元素分布均匀。在脱粘表面的玻璃侧，图8（a）和（b）的峰值测量显示了Li和LiO2-的微量存在。这个结果表明，Li在键合过程中作为Li+和LiO2-扩散到激活的硅原子层中。相比之下，图9（c）的峰值测量结果中没有观察到Nb峰。这表明Nb没有扩散到激活硅原子层的更深部分。这个结果也与图7（a）的STEM-EDX分析一致。这些结果表明，在键合过程中Li的扩散有助于形成强的键合界面。另一方面，几乎没有观察到Nb的扩散，表明Nb的存在对键合强度影响不大。

通过光谱仪测量了键合的LiNbO3/玻璃晶圆的光学透过率。图10显示了使用提议方法和标准SAB方法制备的键合芯片的（a）透过率和（b）反射率。从图中可以看出，在光通信波长带内，提议方法和标准SAB方法之间的透过率和反射率没有显著差异。这表明在1,

4. 结论

本研究展示了在4英寸晶圆上使用激活硅原子层进行LiNbO3与玻璃或蓝宝石的室温键合。验证了激活硅原子层的充分粘附性。根据拉伸测试，LiNbO3/玻璃和LiNbO3/蓝宝石的拉伸强度分别超过了24 MPa和23 MPa。此外，LiNbO3/玻璃和LiNbO3/蓝宝石均可以切割成0.5 mm方形的半切样品，且没有发生脱粘。这些结果表明，所获得的强键合强度足以满足LNOI器件应用的需求。TEM图像显示，键合界面处没有纳米空隙，且确认了键合界面的原子级别粘附和LiNbO3的结晶性。STEM-EDX、XPS和TOF-SIMS分析清楚地显示了键合界面附近元素的行为。这些分析结果预计将在阐明我们通过室温键合与激活硅原子层形成的键合界面的原子结构方面取得重大进展。此外，使用光谱仪对键合晶圆的透过率测量显示，键合界面处的非晶硅原子层能够透过大部分入射辐射，波长范围为1000至1650 nm，即光通信波段。该室温键合方法与激活硅原子层结合，可以用于制造基于玻璃或蓝宝石的LNOI晶圆，适用于RF光子应用，包括超宽带电光行波调制器。