化合物半导体晶片和器件键合技术进展

半导体晶片直接键合技术已成为半导体工艺的一门重要技术 ,它对实现不同材料器件的准单片集成、光电子器件的性能改善和新型半导体器件的发展起了极大的推动作用。文中详细叙述了近十年来 - 族化合物半导体键合技术的主要实验方法 ,并对各种键合方法的优缺点进行了比较 ,结合自己的工作对化合物半导体的键合机理和界面特性做了总结 ,针对目前的研究工作和应用做了展望     

室温晶片键合界面的弹性理论分析

利用接触弹性力学的DMT(Derjaguin，Muller，Toporov)理论，考虑晶片表面起伏的随机性，导出了晶片键合的实际接触面积和有效键合能。并对结果进行了数值分析。讨论了影响室温键合强度大小的各种因素。     

晶片键合界面应力分布的理论分析

根据双金属带的热应力分布理论,推导了晶片键合以及薄膜键合的界面应力分布公式.对影响晶片键合的剪切应力、正应力以及剥离应力的分布特性进行了讨论.     

晶片键合界面应力分布的理论分析

根据双金属带的热应力分布理论,推导了晶片键合以及薄膜键合的界面应力分布公式.对影响晶片键合的剪切应力、正应力以及剥离应力的分布特性进行了讨论     

室温晶片键合界面的弹性理论分析

利用接触弹性力学的DMT(Derjaguin,Muller,Toporov)理论,考虑晶片表面起伏的随机性,导出了晶片键合的实际接触面积和有效键合能。并对结果进行了数值分析。讨论了影响室温键合强度大小的各种因素。     

晶片键合基础介绍

选择键合技术的程序通常依赖于一系列要求,如温度限制、密闭性要求和需要的键合后对准精度。键合的选择包括标准工业工艺,如阳极键合、玻璃浆料键合和黏着键合,以及新发展的低温共晶键合,金属扩散(共熔晶)键合和特定应用中的硅熔融键合。     

GaAs/InP的键合界面热应力分析

采用双层条状金属热应力模型,用MATLAB方法对退火过程中GaAs/InP晶片间的应力和双轴弹性形变能进行模拟和分析。结果表明:将InP剪薄至200μm,GaAs剪薄至175μm,剪应力取得了一个相对的小值,而剥离应力更是被完全消除,这时正应力也相对较小。而按照一定的比例适度剪薄两侧晶片的厚度,可以使得两侧的双轴形变能减小到原来的一半以下。通过减薄键合晶片的厚度可以得到较好的键合质量。另外,不管那一种应力都随退火温度的升高而快速增加,所以实验中一定保持低的退火温度,通常小于300°C为宜。     

晶片表面几何特性对键合的影响

由最小能量原理导出的键合条件出发,利用线性薄板理论,在同一理论模型框架下,通过量度键合过程能否进行的弹性应变能累积率,分析了晶片表面的宏观尺度的弯曲和微观尺度的起伏对晶片键合的影响,并对所得结果进行了详细讨论．     

晶片表面几何特性对键合的影响

由最小能量原理导出的键合条件出发,利用线性薄板理论,在同一理论模型框架下,通过量度键合过程能否进行的弹性应变能累积率,分析了晶片表面的宏观尺度的弯曲和微观尺度的起伏对晶片键合的影响,并对所得结果进行了详细讨论.     

InP/GaAs键合热应力的有限元分析

用有限元方法结合ANSYS工具,研究了InP/GaAs键合在退火后的热应力分布图像.重点计算并详细讨论了对解键合有重要作用的界面上的剥离力和剪切力.最后分析了影响热应力大小的有关因素.数值分析结果与相关文献实验结果一致.     

应用晶片键合技术制作激光器

针对于普通外延生长GaAs衬底激光器材料中存在的位错严重、热胀系数不匹配等问题,总结了国外键合工艺,将其应用于发光波长为850nm的AlGaAs脊波导量子阱激光器的制造,并提出了键合过程中各项关键步骤应注意的问题和解决方法.     

硅直接键合工艺对晶片平整度的要求

本文用弹性力学近似，给出了键合工艺对硅片表面平整度的定量要求以及沾污粒子与孔洞大小洞的关系，并用Ｘ射线双晶衍射技术和红外透射图象对键合硅片进行了实验研究。     

用有限元方法分析Si/GaAs的键合热应力

在考虑材料热膨胀系数随温度变化后,采用有限元方法结合ANSYS软件对Si/GaAs键合热应力进行了分析,研究了普通应力、轴向应力和剪切力的分布云图和沿界面的分布.同时提出了新的键合结构以减小热应力的影响,计算结果证明了该结构的有效性.     

基于湿法表面活化处理的InP/SOI晶片键合技术

为了实现集成硅基光源,研究了基于湿法表面处理的InP/SOI直接键合技术。采用稀释的HF溶液对InP晶片进行表面活化处理,同时采用Piranha溶液对SOI晶片进行表面活化处理,实现了二者的低温直接键合。分别采用刀片嵌入法和划痕测试仪对样品的键合强度进行了定性及定量分析。同时,采用超声波扫描显微镜及扫描电子显微镜对键合界面的缺陷信息及键合截面的微观特性进行了评估。分析结果表明:提出的键合工艺可以获得较好的键合效果。     

冷光源检测晶片键合质量的实现

利用红外透射原理,即根据键合晶片中键合部分可以透光而未键合部分几乎不能透光的原理,同时采用冷光源的独特方法构建了键合质量测试平台以用于初步筛选符合下一步工艺探索的高质量键合晶片.     

InP/Si键合界面热应力分析

从理论上分析了键合热应力产生的原因,在此基础上,采用双层条状金属热应力模型讨论InP/Si键合过程中应力的大小及分布情况.结果表明, 由剪切应力和晶片弯矩决定的界面正应力是晶片中心区域大面积键合失败的主要原因,同时InP/Si键合合适的退火温度应该在250～300 ℃.最后在300 ℃退火条件下很好地实现了InP/Si键合,界面几乎没有气泡,有效键合面积超过90%.     

基于Al2O3中间层的InP/SOI晶片键合技术研究

研究了基于Al2O3中间层的InP/SOI晶片键合技术.该方案利用原子层沉积技术在SOI晶片表面形成Al2O3作为InP/SOI键合中间层,同时采用氧等离子体工艺对晶片表面进行活化处理.原子力显微镜和接触角测试结果表明,氧等离子体处理使得晶片的表面特性更适于实现键合.透射电子显微镜和X射线能谱仪测试结果证实,采用Al2O3中间层可以实现InP晶片与SOI晶片的可靠键合.     

晶片键合质量的红外检测系统设计

基于晶片的红外透射原理,设计并搭建了晶片直接键合质量红外检测装置,并利用图像处理技术开发了相应的软件模块,可以快速获取键合界面的特性参数,如空洞分布、大小及键合率等,从而实现晶片直接键合质量的快速评估.同时,将该红外检测装置与硅片键合装置结合一体,可以实时监测硅片直接键合工艺.通过分析不同工艺条件下所获得的键合片质量,包括键合率、缺陷分布以及键合强度等参数的比较,可以有助于理解晶片键合的机理,实现键合工艺的优化.     

介质辅助键合Ⅲ-Ⅴ/硅基混合集成金属限制激光器

硅基键合Ⅲ-Ⅴ材料激光器,作为互补氧化物半导体(CMOS)兼容硅基光互连系统中的一个关键元件,近年来引起了人们的高度重视并得到了广泛的研究。金属限制结构可以增强器件对光场的限制,提高界面反射率和工艺容差,从而实现小体积低能耗硅片上集成光源。对金属限制介质辅助键合Ⅲ-Ⅴ/硅基混合集成激光器进行了研究,介绍了该激光器的基本原理和实验方案,并对制作的不同结构激光器的特性进行了分析,该研究工作的开展将有助于实现Ⅲ-Ⅴ/硅基混合集成激光器在低能耗高带宽的硅基光互连中的应用。     

低温晶片键合技术及在通信光电子器件中的应用

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.