摘要：簡單介紹了晶片鍵合的基本原理，指出了實現(xiàn)低溫晶片鍵合的必要性；通過對比低溫晶片鍵合技術(shù)的實現(xiàn)方式及其在通信光電子器件中的應(yīng)用，指明表面改性是實現(xiàn)低溫晶片鍵合的最有效手段。

　　關(guān)鍵詞：低溫晶片鍵合；光電子器件；表面改性

　　1引言

　　新一代光電子器件就是要實現(xiàn)光電子集成，但晶格失配的異質(zhì)半導(dǎo)體材料的兼容問題卻成為光電子集成道路上面臨的最主要障礙之一。近年來才興起的晶片鍵合技術(shù)屬于準單片集成的范疇，它不受晶格失配度的限制，可以將異質(zhì)半導(dǎo)體材料集成在一起，拓展了光電子集成的自由度。這樣既解決了異質(zhì)半導(dǎo)體材料的兼容問題，又充分利用了異質(zhì)半導(dǎo)體材料的自身優(yōu)點，大大提高了集成光電子器件的性能，因此成為集成光電子器件制備的最重要手段之一。

　　盡管晶片鍵合技術(shù)已經(jīng)發(fā)展得比較成熟，但還是存在一些亟待解決的問題。其中如何按照器件的用途來優(yōu)化和規(guī)范晶片鍵合工藝以及如何實現(xiàn)異質(zhì)材料間的低溫鍵合顯得最為突出[1]。文中針對實現(xiàn)低溫晶片鍵合的必要性和手段做了詳細且深入的論述，同時列舉了近幾年來由低溫晶片鍵合技術(shù)制備的若干通信光電子器件。

　　2 晶片鍵合的基本原理

　　所謂wafer bonding通常是指兩片表面光滑平整的晶片緊密接觸后，通過界面間形成共價鍵使二者融為一體。整個晶片鍵合過程可以簡單地概括為表面處理、預(yù)鍵合和熱處理3個部分[2]。表面處理主要是利用化學(xué)機械拋光來降低鍵合晶片的表面粗糙度（均方根值一般要小于1nm），然后利用化學(xué)溶液或等離子體對晶片進行清洗，去除晶片表面上附著的各種沾污，提高表面活性，同時獲得特定的表面化學(xué)狀態(tài)和表面終止；預(yù)鍵合主要是在室溫下將表面處理好的晶片對準，并施加一定的外力，促使晶片對開始鍵合，同時采取一定的措施來避免鍵合表面上引入灰塵或顆粒；熱處理主要是通過一定溫度的退火在鍵合界面間形成共價鍵，增強界面間的鍵合強度，同時減少鍵合界面上形成的氣泡或空洞。
　　鍵合界面的質(zhì)量直接影響著集成器件的性能，而壓力、退火溫度、退火時間、氣體環(huán)境等眾多外部因素又直接決定著鍵合界面的質(zhì)量。因此晶片鍵合完成后必須對鍵合界面的光學(xué)、電學(xué)和機械特性進行分析和評估，從而進一步優(yōu)化上述各種參數(shù)以提高鍵合質(zhì)量。

　　按照具體的實現(xiàn)方式可以將晶片鍵合分為直接鍵合[3]、陽極鍵合[4]與共熔鍵合[5]。其中直接鍵合不使用任何中間層材料，也不依賴于外部電場。一般來說，如果沒有特殊說明，晶片鍵合就是指直接鍵合。

　　3 實現(xiàn)低溫晶片鍵合的必要性和手段

　　3.1 必要性

　　晶片在室溫下預(yù)鍵合好后，晶片對僅靠短程分子間作用力（如范德瓦爾斯力、靜電力或毛細管作用力）粘合在一起，必須進一步高溫退火以確保在晶片之間形成很強的共價鍵。一般來說，硅-硅直接鍵合的退火溫度要高于1000℃，硅和III-V族化合物半導(dǎo)體直接鍵合的退火溫度要高于600℃，III-V族化合物半導(dǎo)體之間直接鍵合的退火溫度在 550~650℃之間[6,7]。

　　但高溫退火又會帶來很多嚴重的負面效應(yīng)。如果鍵合晶片中已含有一些對溫度敏感的器件結(jié)構(gòu)，高溫退火會導(dǎo)致其性能劣化，甚至失效。此外高溫退火還會導(dǎo)致?lián)诫s源擴散、金屬引線熔化變形等。尤其是熱失配較大的異質(zhì)材料在預(yù)鍵合后經(jīng)過高溫退火處理，材料間不同的熱膨脹系數(shù)會產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，熱應(yīng)力又會產(chǎn)生缺陷和位錯，甚至?xí)䦟?dǎo)致晶片破裂或完全不能鍵合，因此降低退火溫度實現(xiàn)低溫晶片鍵合具有十分重要的意義。

　　常規(guī)晶片鍵合過程中的高溫退火主要是為了增加鍵合強度。與此相對應(yīng)，低溫晶片鍵合就是指在顯著降低退火溫度后，界面間的鍵合強度還能與高溫退火條件下獲得的鍵合強度相當(dāng)，甚至更高。因此低溫晶片鍵合技術(shù)所面臨的最核心問題，就是如何在降低退火溫度后獲得足夠的鍵合強度，同時又盡可能地保證鍵合后材料的電學(xué)和光學(xué)特性不會受到影響。

　　能否采用最經(jīng)濟、最有效的技術(shù)手段實現(xiàn)低溫晶片鍵合，特別是異質(zhì)材料間的低溫晶片鍵合，直接決定著晶片鍵合技術(shù)能否得到更廣泛的應(yīng)用及其制備工藝是否具有更強的競爭力。

　　3.2 手段

　　3.2.1 表面活化

　　表面活化是利用特定的化學(xué)溶液或等離子體對鍵合晶片表面進行活化處理，不僅有效地去除了鍵合樣品的表面沾污，更重要的是極大地提高了室溫下鍵合樣品的界面能，這樣只需要較低的退火溫度就可以獲得足夠的鍵合強度。目前多采用等離子體，特別是氧等離子體對鍵合樣品進行表面活化處理來實現(xiàn)低溫晶片鍵合[8,9]。經(jīng)過氧等離子體活化過的晶片表面上形成了光滑平整的氧化物薄膜，并表現(xiàn)出極強的親水性，但鍵合界面的電阻也隨之增大，這又限制了鍵合材料的某些應(yīng)用。從本質(zhì)上講，等離子體表面活化就是利用等離子體來改變鍵合晶片的表面特性和結(jié)構(gòu)。

　　采用表面活化技術(shù)的