上海奥麦达微电子有限公司

专业高效
微纳加工公司

晶圆键合--后太赫兹时代的用于射频器件的先进基板技术

摘要——电子设备经历了显著的进化,推动了数字化转型,朝着一个互联的社会发展。对性能、速度和效率的不断需求正在推动无线应用在子太赫兹频率及更高频率下运行。创新的基板,如完全耗尽的硅绝缘体(FD-SOI)、磷化铟硅(InPoSi)和SmartGaN,为高效利用这些频率提供了具有颠覆性且商业上可行的解决方案。在这些关键市场上实现欧洲领导地位需要从材料到应用建立完整且可靠的供应链。所谓的价值链模型在欧洲KDT JU项目中得到了应用,它作为加速共同创新和市场采纳的快速通道。本文阐述了在BEYOND5项目中实现的FD-SOI生态系统在高达120 GHz的射频应用中的创新动态。它还探讨了通过结合Smart Cut工艺使用InPoSi基板在子太赫兹频率范围内的技术颠覆。Move2THz项目旨在开发这些技术并证明其克服了历史上的挑战。

本研究得到了法国资金的支持,属于欧洲共同利益重要项目(IPCEI ME/CT),专注于微电子与通信技术。
本研究还得到了芯片联合企业(Chips JU)的支持,资助协议编号为876124(BEYOND5项目)和协议编号为10113988(Move2THz项目)。芯片联合企业获得了欧盟“地平线欧洲”研究与创新计划以及各国主管部门的支持。

本文展示了如何将业界成熟的Smart Cut技术应用于其他材料,如氮化镓,以完善技术方案并满足市场需求,克服了传统磷化铟(InP)的局限性。

我们可以提供 

*6 inch 的 inp-on-si、inp-on-sic键合晶圆,成熟工艺,交付快

*金刚石氮化镓键合片,成品出售,尺寸10*10,或者定制尺寸

晶圆键合--室温下通过表面活化键合法直接键合GaAs-SiC/Si和InP-Si/SIC晶片

                  INP-SIC                                      INP-SI

微信图片_20250131204228       微信图片_20250131204235

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)

微信图片_20250131204241

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。

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

微信图片_20250131204247


一、先进基板的介绍

与法国电子与信息技术实验室(Leti)合作,Soitec公司在30多年前开发了专利的Smart Cut工艺。该工艺,如图1所示,能够通过将硅或其他半导体材料的薄活性层从供体基板转移到作为支撑的第二基板,制造微电子用的先进基板。Smart Cut工艺确保了高产率和表面质量,适合工业化生产。它有助于扩大晶圆尺寸和生产量,以与互补金属氧化物半导体(CMOS)制造能力相对接,最大限度地减少稀有资源的使用,降低技术的生态足迹和成本,并为材料整合提供广泛的可能性,如图2所示。通过将适配的活性层与功能性支撑基板相结合,创造了一个更加有韧性且不易依赖的价值链。

微信图片_20250131204252
图1. Smart Cut技术制造SOI基板的示意图
微信图片_20250131204258
图2. Smart Cut技术结合适应性活性层和功能性支撑基板,构建更独立的价值链。

II. SOI上的射频技术——5G及未来应用中的无可匹敌的PPAC

基于SOI衬底的射频硅绝缘体(RF-SOI)和完全耗尽硅绝缘体(FD-SOI)技术满足全球5G智能手机市场的需求,并为利用5G频谱的应用提供新的解决方案,涵盖从低GHz频段到毫米波(mmWave)频段,包括未来100 GHz以上的应用前景。凭借其更小的器件尺寸,FD-SOI能够实现非常高的截止频率,使得电路能够在非常高的频率下工作,涵盖毫米波及100 GHz以上的频率范围。射频前端毫米波架构,采用商业低漏电FD-SOI射频平面CMOS平台,已成功地在移动市场中得到了验证[1]。此外,FD-SOI还允许将模拟和数字功能共同集成到片上系统(SoC)设计中。得益于其背偏能力,FD-SOI还提供了动态功率/性能比调节机制,这使得FD-SOI在汽车雷达和高级驾驶辅助系统(ADAS)中也变得至关重要。

KDT IA项目BEYOND5,“构建全面的欧洲RF-SOI供应链,推动传感、通信、5G及更远领域的新RF应用”,利用RF-SOI和FD-SOI技术,致力于在不同应用领域构建一个稳固的欧洲生态系统。该项目始于2020年6月,联合了来自10个国家的39个欧洲合作伙伴,涵盖了两个SOI技术(STMicroelectronics的RF-SOI,GlobalFoundries的22FDX)以及七个示范项目,覆盖整个价值链。在FD-SOI试点生产线上,GlobalFoundries开发并集成了新的射频功能和可靠性方法论,基于其22FDX平台进行整合。这包括使用高电阻基片来增强5G示范项目的特性,并满足未来毫米波系统的要求。

该项目的目标是展示这些技术平台在系统级别的应用。图3展示了合作伙伴在价值链中的映射,图4展示了不同应用示范项目中所集成的技术平台。

微信图片_20250131204303

图3. BEYOND5项目联盟合作伙伴映射到价值链。


微信图片_20250131204309

图4. BEYOND5项目的示范器集成了不同的RF-SOI和FD-SOI技术版本。

每个选定的七个示范项目根据其特定需求选择了最具竞争力的SOI技术,关键标准包括频率范围、性能、集成度、功率效率和成本。

例如,对于122 GHz车内雷达和手势识别示范项目,选择了22FDX技术,因为它在射频性能方面表现优异,支持超100 GHz的低功耗设计。其缩放效应有助于实现真正低成本的设计,同时最小化系统封装解决方案中处理单元的面积消耗。图5展示了车内示范项目,该项目使用了一个4×4的多输入多输出(MIMO)收发器(TRX)芯片,并配备了在116-123 GHz频段工作的封装内天线。

微信图片_20250131204315

图5. BEYOND5项目中开发的车内雷达示范器的4 × 4 MIMO TRX 22FDX芯片。

该毫米波集成电路(MMIC)的框图如图6所示。该TRX采用GlobalFoundries的22FDX技术开发。

微信图片_20250131204322

图6. 在BEYOND5项目中开发的车载雷达演示器设计的TRX框图。

微信图片_20250131204330

图7. 在BEYOND5项目中开发的车载雷达演示器的TRX低噪声放大器噪声性能。

这款120 GHz MMIC在噪声系数(NF)和功耗方面表现出色。低噪声放大器(LNA)在相关频率带宽内实现了6.5 dB的噪声系数和14 dB的增益,如图7所示。

该MIMO 4 × 4芯片在连续工作时的总功耗为260 mW,支持四个接收器和一个发射器。详细的性能指标见表1。

微信图片_20250131204336
微信图片_20250131204341

图8. 不同技术在140 GHz工作频率和40 dBm有效全向辐射功率下的功率消耗和占地面积比较。

III. 智能切割技术在III-V族材料中的应用:THz时代的创新基板

智能切割(Smart Cut)技术也适用于硅以外的材料,减少了对稀有且昂贵的原材料的依赖,从而提供了符合绿色协议(Greendeal)倡议的技术主权解决方案。磷化铟(InP)在性能和功率消耗方面展现了超越其他技术的卓越能力。它具有优越的功率放大器(PA)输出功率(Pout)和功率附加效率,以及低噪声系数(NF)特性。图8比较了CMOS、SiGe和InP等竞争技术的功率放大器性能和面积指标。

尽管具有优势,InP技术在高产量生产市场中面临一定限制,主要是由于其制造约束、小直径和高成本。智能切割技术提供了一种可持续的、商业上可行的解决方案,适用于6G移动通信和高分辨率传感器等消费应用。智能切割技术结合InP,为通过瓦片化方法使用同一InP晶圆增加组件数量提供了可能,同时实现过渡到更大直径的晶圆。

图9展示了智能切割技术与瓦片化方法的结合。这种方法包括将转移的层排列在更大的基板上,以优化材料使用并提高生产效率。在图9的左侧,展示了通过瓦片化生产伪供体基板的过程。右侧展示了通过智能切割过程从伪供体基板得到的InPoSi基板,展示了回收伪供体基板以多次使用的概念。

“Move2THz” KDT项目于2024年6月1日启动,汇集了28个欧洲合作伙伴,专注于InP技术的开发和应用,如图10所示。

微信图片_20250131204348

图10. Move2THz项目联盟在价值链中的示意图。

Move2THz项目旨在通过建立全球首个InP硅基平台(InPoSi)的标准,革命性地改进InP平台的制造工艺。该计划促进了晶圆尺寸和产量的扩大,同时确保与CMOS标准兼容,并最大限度地减少稀有InP资源的使用。通过建立从材料到示范的强大价值链,Move2THz旨在将InP技术从小众技术转变为可持续且具有商业可行性的主流平台。这一进展将使6G移动通信、光子数据通信、射频/生物传感等大规模市场应用能够利用高达太赫兹(THz)频率的技术。

Move2THz项目如何促进InP在大规模市场的应用,如图11所示。

微信图片_20250131204355

图11. Move2THz项目旨在打破当前的恶性循环,推动InP在大规模市场中的应用。


Move2THz项目开发了创新的功率放大器(PA)、低噪声放大器(LNA)和异质集成模块,使用先进且环保的基板和制造工艺。这些技术将被集成并测试用于D波段电路、传感、卫星通信、非地面网络以及光子学应用。

除了InP,射频氮化镓(GaN)技术在使用氮化硅(SiC)基板的5G基站射频功率放大器(PA)中也展现了显著优势。Soitec公司通过智能切割(Smart Cut)工艺开发了一个开创性的概念,推出了GaN-on-X基板,克服了异质外延生长的物理限制。该方法涉及将一层薄GaN膜转移到处理基板(如硅、SOI、聚硅碳等)上,专门为射频应用量身定制。这项创新使得制造具有优越的热阻、更高的功率密度、改进的功率效率、减少记忆效应并增强线性度的器件成为可能。

微信图片_20250131204403

图12. 用于优化功率或射频应用的SmartGaN基板堆叠结构。


新开发的SmartGaN基板在8英寸直径下进行了演示,解决了行业对GaN质量、CMOS兼容性、热导率以及成本/可用性的关注。该SmartGaN基板堆叠示意图如图12所示。针对射频下一代GaN器件的价值提案包括为5G及未来技术提供最佳性能的功率放大器(PA),PA和开关的协同集成,并支持70 GHz至100 GHz的频率范围。


关于我们:

OMeda成立于2021年,由3名在微纳加工行业拥有超过7年经验的工艺,项目人员创立。目前拥有员工15人,在微纳加工(涂层、光刻、蚀刻、双光子印刷、键合)等领域拥有丰富的经验。 同时,我们支持4/6/8英寸晶圆的纳米加工。 部分设备和工艺支持12英寸晶圆工艺。针对MEMS传感器、柔性传感器、微流控、微纳光学等行业。 我们将凭借先进的设备、仪器和经验,为您带来可靠性、性能优良的产品和高效的服务

中国(上海)自由贸易试验区临港新片区业盛路188号450室 电话:+86 188 233 40140 邮箱:jing.chen@omeda-optics.com

来源:OMeda

关于我们

OMeda(上海奥麦达微)成立于2021年,由3名在微纳加工行业拥有超过7年经验的工艺,项目人员创立。目前拥有员工15人,在微纳加工(镀膜、光刻、蚀刻、双光子打印、键合,键合)等工艺拥有丰富的经验。 同时,我们支持4/6/8英寸晶圆的纳米加工。部分设备和工艺支持12英寸晶圆工艺。针对MEMS传感器、柔性传感器、微流控、微纳光学,激光器,光子集成电路,Micro LED,功率器件等行业。 我们将凭借先进的设备、仪器和经验,为您带来可靠性、性能优良的产品和高效的服务。

姓名:*
邮件:*
公司名称:
电话:*
您的需求: