晶片鍵合技術(shù)和薄膜傳輸技術(shù)

引言

結(jié)合離子注入工藝、激光照射和去除犧牲層，晶片鍵合技術(shù)是將高質(zhì)量薄膜轉(zhuǎn)移到不同襯底上的最有效方法之一。本文系統(tǒng)地總結(jié)和介紹了蘇州華林科納的晶片鍵合技術(shù)在電子、光學器件、片上集成中紅外傳感器和可穿戴傳感器等領(lǐng)域的應用。依次介紹了基于智能剝離技術(shù)

工藝的絕緣體上硅(SOI)晶片的制作、寬帶隙半導體、紅外材料和電光晶體的異質(zhì)集成以及薄膜轉(zhuǎn)移的晶片鍵合技術(shù)。此外，本文還重點介紹了基于上述平臺的器件設(shè)計和制造進展。他們證明，轉(zhuǎn)移的薄膜可以滿足高性能電力電子、分子傳感器和高速調(diào)制器在5G之外的下一代應用。此外，還報道了通過晶片鍵合和去鍵合方法制備的柔性復合結(jié)構(gòu)。最后，討論了需要通過晶片鍵合技術(shù)實現(xiàn)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的進一步發(fā)展的前景和結(jié)論。

關(guān)鍵詞:異構(gòu)集成；晶片鍵合；薄膜轉(zhuǎn)移；系統(tǒng)級封裝(SIp)；傳感器；5G；6G；光子學；電力電子；物聯(lián)網(wǎng)；物的人工智能(AIot)；可穿戴電子設(shè)備

介紹

目前，我們正處于通信技術(shù)創(chuàng)新的風口浪尖。第五代(5G)通信技術(shù)和5G之外的替代通信技術(shù)的發(fā)展將影響世界各國的技術(shù)格局。通信技術(shù)的目標是在數(shù)據(jù)速率、延遲、大規(guī)模連接、網(wǎng)絡(luò)可靠性和能效方面實現(xiàn)革命性的飛躍。因此，高數(shù)據(jù)傳輸要求迫使終端產(chǎn)品的性能迅速提高。5G時代的到來離不開針對電信基礎(chǔ)設(shè)施的射頻(RF)前端的發(fā)展，而RF前端的核心就是由壓電諧振器組成的濾波器。具有高機電耦合的壓電諧振器將改善射頻前端的性能，。增加帶寬，降低損耗。在使用各種結(jié)構(gòu)和壓電材料的壓電諧振器中，基于鈮酸鋰薄膜的壓電諧振器具有顯著高的機電耦合。然而，目前還不可能通過傳統(tǒng)的沉積工藝在襯底、絕緣體上制備鈮酸鋰薄膜。利用轉(zhuǎn)移技術(shù)來移動一片體鈮酸鋰并結(jié)合到載體襯底上是最常見和最有效的方法。進入5G時代和5G之外，在晶圓制造過程中集成在芯片上的多樣化組件和器件中，薄膜LiNbO3電光調(diào)制器在信息傳輸速度和帶寬調(diào)制方面顯示出突出的優(yōu)勢。對于絕緣體上鈮酸鋰(LNOI)平臺的制作，晶圓鍵合為鈮酸鋰薄膜的片上異質(zhì)集成提供了有效的技術(shù)支持。通過在LNOI晶片上設(shè)計和制備高速調(diào)制器，這種想法已經(jīng)被證實是可行的，晶片使用晶片直接鍵合技術(shù)從塊狀鈮酸鋰晶體上剝離單晶薄膜來制造。這將有利于5G通信之外的下一代應用。

討論

晶圓鍵合法制備硅基和鍺基絕緣體上薄膜

半導體是各種光子和電子元件的基礎(chǔ)。它們是器件設(shè)計和制造的基本平臺。硅基和鍺基材料是眾多半導體中最受歡迎的，因為它們在成熟制造、低成本和大規(guī)模生產(chǎn)方面取得了進展[30，31]。因此，大多數(shù)互補金屬氧化物半導體工藝的發(fā)展都依賴于它們。然而，用于有源和無源器件的器件層的厚度通常為納米或微米級。為了避免信號串擾或元件擴散，插入阻擋層在相鄰器件層之間是不可或缺的。因此，迫切需要解決絕緣體上硅基薄膜的制備問題。盡管這種薄膜可以通過濺射、化學氣相沉積(CVD)、等離子體增強化學氣相沉積(PECVD)等在特定的襯底上生長，但是非晶或多晶晶體結(jié)構(gòu)對于最大化優(yōu)異的材料性能是具有挑戰(zhàn)性的。已經(jīng)開發(fā)了結(jié)合離子注入的晶片鍵合方法(稱為智能切割技術(shù)[32，33])。這項技術(shù)使得將薄層從單晶施主襯底轉(zhuǎn)移到支撐晶片成為可能，克服了物理限制并改變了襯底工業(yè)的面貌。

絕緣體上硅的智能切割技術(shù)及其應用

如今，大多數(shù)用于芯片制造的行業(yè)領(lǐng)先的絕緣體上硅(SOI)晶片都是由智能切割技術(shù)制造的。SOI制造的標準智能切割工藝如圖2a所示。首先對兩個清洗過的硅晶片進行表面氧化。其中一個用作支撐襯底，用于薄膜施主晶片。然后，氫離子(H+)注入產(chǎn)生被破壞。植入光元件有幾個優(yōu)點注入施主晶片。轉(zhuǎn)移層可以設(shè)計成沒有缺陷。通過控制H+的注入能量，可以高精度地確定轉(zhuǎn)移層的厚度。在完成離子注入后，氧化的晶片通過活化結(jié)合方法結(jié)合在一起。然后，在鍵合對上執(zhí)行退火工藝。一方面，施主晶片將從氣泡層完全破裂，使得薄膜剝離并保留在支撐晶片上。另一方面，高溫處理將有利于增強薄膜與支撐襯底之間的結(jié)合界面。最后，化學機械拋光用于平整和平滑表面，以滿足實際生產(chǎn)要求。對于施主晶片，襯底可以在每次層轉(zhuǎn)移操作之后被刷新和重新使用。圖2顯示了制造的SOI晶片的橫截面圖像。透射電子顯微鏡可以觀察到?jīng)]有任何缺陷的致密而尖銳的界面，證明了智能切割技術(shù)的優(yōu)勢。我們應該注意到，晶片鍵合適用于幾種材料和很寬的溫度范圍，為在其他襯底上實現(xiàn)任何薄膜材料同時保持初始晶體學特性開辟了道路。例如，鍺是電子工業(yè)的另一種基本材料[35–39]。GeOI也是高性能場效應晶體管(FET)必不可少的平臺。基于智能切割技術(shù)，單晶鍺薄膜可以轉(zhuǎn)移到其他襯底上。透射電鏡研究表明，鍵合界面是無空隙的，證實該工藝可應用于硅材料以外的薄膜轉(zhuǎn)移。此外，Smart Cut技術(shù)基于標準半導體設(shè)備，允許不同尺寸的產(chǎn)品。頂部薄膜層和掩埋氧化物層的厚度也可以以相當大的靈活性進行調(diào)節(jié)。此外，在均勻性、結(jié)合界面和厚度可變性的精確控制方面的優(yōu)異質(zhì)量是其他方法無法實現(xiàn)的。這項技術(shù)也為傳感器、能量收集、柔性電子、光子學和微機電系統(tǒng)等新興領(lǐng)域提供了新的機遇。

寬帶隙半導體薄膜轉(zhuǎn)移及其在金屬氧化物半導體場效應晶體管中的應用

氮化鎵(GaN)是應用于無線通信和光通信的理想材料，因為它可以在高功率和高頻率下工作[91–93]。因此，氮化鎵與硅互補金屬氧化物半導體襯底的異質(zhì)集成引起了廣泛關(guān)注[94]。然而，由于GaN和Si之間的顯著晶格失配，將兩種材料結(jié)合成一個系統(tǒng)是具有挑戰(zhàn)性的。最近，在(100)取向的硅襯底上直接外延生長氮化鎵薄膜的報道。由于硅襯底的非對稱表面疇，生成的氮化鎵薄膜通常是多晶的，具有雙疇結(jié)構(gòu)。

用于高散熱的碳化硅或金剛石襯底上寬帶隙半導體薄膜轉(zhuǎn)移的異質(zhì)鍵合

雖然寬帶隙半導體和SiCMOS的異質(zhì)集成可以帶來許多好處，但GaN和Ga2O3的應用主要是大功率或高頻電子器件，因為它們具有優(yōu)異的材料性能。然而，自加熱引起的高通道溫度通常會降低器件的性能和可靠性。最有效的方法之一是利用散熱基板及時散熱。SiC因其高導熱性和與GaN的小晶格失配而被用作GaN的散熱基板。不幸的是，熱邊界電導的存在

GaN和SiC之間的(TBC)限制了熱傳輸，在理論計算和實驗中產(chǎn)生了顯著的誤差。氮化鎵可以在氮化鋁中間層的輔助下生長在碳化硅襯底上，這對生長高質(zhì)量的氮化鎵薄膜至關(guān)重要。通常會出現(xiàn)位錯密度等問題，使得界面熱阻更加嚴重。除了分子束外延和金屬有機化學氣相沉積，晶圓鍵合技術(shù)是制造異質(zhì)氮化鎵/碳化硅結(jié)構(gòu)的另一種可行方法。與薄膜生長和沉積相比，晶片鍵合具有許多優(yōu)點，如對晶格失配不敏感、溫度低、晶片級等。

為了在氮化鎵和碳化硅之間實現(xiàn)可靠的鍵合，SAB方法被用于直接晶片鍵合[12]。與智能切割技術(shù)不同，激光剝離用于氮化鎵薄膜轉(zhuǎn)移。實驗過程的示意圖如圖4a所示。氮化鎵生長在藍寶石晶片上，用作施主襯底。氮化鎵/碳化硅鍵合后，248納米激光照射在鍵合的晶片對上，使氮化鎵和藍寶石分離。鍵合晶片對和轉(zhuǎn)移的氮化鎵薄膜的光學圖像分別顯示在圖4b和4c中。原子鍵合已經(jīng)被TEM證實，鍵合界面只有3 nm，如圖4d所示。這表明通過結(jié)合激光剝離工藝的SAB方法可以獲得高質(zhì)量的氮化鎵/碳化硅異質(zhì)結(jié)構(gòu)。金剛石是熱管理的另一種流行基底[120]。氮化鎵薄膜也可以通過鍵合方法轉(zhuǎn)移到金剛石襯底上[11]。代替無中間體的SAB方法，納米尺度的無定形硅層被用于GaN/金剛石結(jié)合。在表面活化之前，硅被濺射到氮化鎵和金剛石襯底上。隨后的工藝與將氮化鎵薄膜轉(zhuǎn)移到碳化硅晶片上的工藝相同。

結(jié)論

基于薄壓電帶的柔性機械能采集器的最終分解圖和俯視圖如圖5a所示。制造甲基汞復合結(jié)構(gòu)的示意圖如圖5b所示。首先，通過互補金屬氧化物半導體兼容工藝將具有金屬電極的復合壓電陶瓷沉積在硅上二氧化硅晶片上。器件結(jié)構(gòu)也同時轉(zhuǎn)移。其次，在晶圓表面旋涂光刻膠，防止器件結(jié)構(gòu)被后續(xù)的氫氟酸溶液腐蝕。浸沒處理后，沉積的具有光致抗蝕劑保護的PZT薄膜將與硅上二氧化硅晶片分離。最后，功能薄膜將被PDMS壓印到植入式電子設(shè)備的聚酰亞胺基底上?；谶@一過程和復合結(jié)構(gòu)，已經(jīng)提出了能夠?qū)崿F(xiàn)高效率的機械-電能轉(zhuǎn)換的可植入裝置。器件參數(shù)和結(jié)構(gòu)如圖5c所示。在彎曲處理的激勵下，壓電薄膜會產(chǎn)生響應變形的電信號。圖5d和5e分別給出了在平坦和彎曲條件下夾持在彎曲臺上的壓電陶瓷的光學圖像。由于聚酰亞胺具有良好的生物相容性，這種裝置可用于生物體中的自供電植入裝置[146]。圖5f–h顯示了右心室、左心室和牛心臟自由壁上的壓電陶瓷的照片。不同的監(jiān)控系統(tǒng)會產(chǎn)生不同的信號輸出。它證明了PZT薄膜轉(zhuǎn)移的有效性和依靠這種復合結(jié)構(gòu)的生物相容性電子的可行性。

?

?

?

　　審核編輯：鄢夢凡