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本文分享一篇文章，关于表面活化键合技术的应用 。本文介绍了 碳化硅和砷化镓材料的键合技术，我们都知道砷化镓材料可以被用来制造vcsel激光器，碳化硅具有极好的热导率，将砷化镓材料键合在碳化硅材料上，可以制造出高功率的，具有极高热导率的vcsel激光器芯片。

本文展示了通过室温 SAB 方法在晶圆级制造 GaAs/SiC 结构，以实现直接键合在 SiC 基板上的薄膜半导体激光器。SiC 的热导率是 Si 的三倍，并且在室温下高于铜。首先，通过有限元法评估焊料材料及其厚度对热阻的影响。然后，通过实验研究了 GaAs 和 SiC 的晶圆键合。

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,                      sic-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

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

这种技术，小编前面分享的有些文章中有提到，但是当时小编才疏学浅，未能把握住这个技术的核心，但是最近，命运安排人咨询我

a.GaN-Diamond   b.Si-Si    c.恰好我在分享碳化硅集成光子学，这个技术也是核心之一。

因此小编后续的重心将会放在基于SAB的先进多材料键合技术的知识分享

划重点：小编提供基于si+sio2+sic（SAB键合）+减薄+cmp全套工艺的4H半绝缘碳化硅基片，助力碳化硅光子学发展。

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。

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合集

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金刚石半导体--在大气条件下磷化铟与金刚石衬底的低温直接键合

碳化硅+PIC--用于碳化硅集成光子学的高品质碳化硅薄膜的制备及损耗测量

干活满满-表面活化键合技术--用于低温键合的表面活化键合方法

室温下对 GaAs 和 SiC 晶片进行表面活化键合，以改善高功率半导体激光器的散热

Eiji Higurashi*, Ken Okumura, Kaori Nakasuji, and Tadatomo Suga

Department of Precision Engineering, School of Engineering, The University of Tokyo, Bunkyo,  Tokyo 113-8656, Japan 

1. 简介

紧凑型高功率半导体激光器是各种科学和工业仪器的关键部件，包括激光投影显示和荧光分析系统，如共聚焦显微镜和流式细胞仪。最近，垂直外腔面发射激光器 (VECSEL)1,2) 也称为光泵浦半导体激光器 (OPSL) 或半导体盘激光器 (SDL)，由于其高输出功率、高效率和出色的光束质量而备受关注。图 1 显示了 VECSEL 的典型结构。由增益区和分布式布拉格反射镜 (DBR) 组成的半导体薄膜安装在散热器上。半导体增益区由由屏障区隔开的量子阱组成，并由二极管激光器光泵浦。激光谐振器形成在 DBR 和外部镜子之间。这种结构通过调整半导体材料的成分，实现了从近紫外到中红外区域的宽光谱范围内的激光发射。然而，高功率半导体激光器的热管理至关重要，因为其性能受增益区温度的影响。高温会降低激光输出功率（热翻转）。因此，对于高功率半导体激光器来说，通过改善散热来抑制温度上升非常重要。

为了最大限度地降低增益区的温度，将半导体薄膜（例如 5-7µm）的镜面朝下通过焊料键合2,3）或亲水键合（例如液体毛细管键合4））安装到散热器上。然而，

焊料芯片粘接材料的热导率不是很高，例如 AgSn（3.5wt% Ag，熔化温度：221°C）和 AuSn（80wt% Au，熔化温度：280°C）。

亲水键合通常需要在晶圆初次接触后进行高温退火步骤，以确保形成牢固的键合。由于热膨胀系数 (CTE) 不匹配，这会产生高热应力。亲水键合还会产生薄的界面氧化层，从而增加界面热阻。表面活化键合 (SAB) 是一种很有前途的传统键合方法的替代方法。SAB 是一种室温键合方法，已被证明可用于多种半导体材料，如 Si/Si、5) Si/GaAs、6–8) Si/InP、6,7) 和其他组合。9,10) 最近，SAB 已用于形成用于功率器件应用的直接键合 Si/SiC11–15) 和 SiC/SiC16,17) 接口。

在本研究中，我们展示了通过室温 SAB 方法在晶圆级制造 GaAs/SiC 结构，以实现直接键合在 SiC 基板上的薄膜半导体激光器。SiC 的热导率是 Si 的三倍，并且在室温下高于铜。首先，通过有限元法评估焊料材料及其厚度对热阻的影响。然后，通过实验研究了 GaAs 和 SiC 的晶圆键合。

图 1. (在线彩色)典型 VECSEL 的示意图。

2. 热阻的有限元模拟

VECSEL 的热分析已在先前的一些研究中进行了。18,19) 热阻 Rth 是决定有效增益区温度的关键参数，它被定义为增益区温升 ¦T (K) 与产生的热功率 Pheat (W) 之比：

Rth = (1)

由于增益区的温度随热阻的增加而增加，因此应尽量减小热阻。

热阻已通过有限元模拟进行了评估。MemsONE 软件20) 用于执行二维 (2D) 有限元热分析。

图 2. (在线彩色)用于热模拟的 2D 建模结构示意图（不按比例）。

图 2 显示了用于热模拟的简化 2D 建模结构。假设在有源增益区域中心有一个均匀的圆柱形热源（半径：100µm，高度：2.5µm）。假设与外部区域的热交换仅通过 DBR、键合层和散热器进行。由于对流冷却可以忽略不计，因此在结构的侧壁和顶面上施加了绝热边界条件（无热流）。SiC 散热器底面的边界条件是温度保持恒定（25°C）。模拟中使用的材料参数总结在表 I 中。21,22)

图 3. (在线颜色) 模拟热阻。(a) 热阻与焊料层厚度的关系。(b) 热阻与不同散热器材料热导率的关系（无焊料层）。

模拟结果如图 3 所示。图 3(a) 显示了焊料层厚度对不同焊料材料（AgSn、AuSn）热阻的影响。由于 GaAs 和 DBR 的热导率相对较低，半导体薄膜本身会引起很大的热阻。焊料厚度增加，总热阻随之增加。虽然 AuSn 而非 AgSn 可以提高热阻，但在直接键合配置 (12.7K/W) 中，热阻可以显著降低。当分别去除 10 µm 厚的 AgSn 和 AuSn 层时，热阻可以降低约 43% 和 30%。

为了了解不同散热器材料热导率的影响，绘制了热阻与各种散热器热导率（无焊料层）的关系图 [图 3(b)]。要使用散热器显著提高热阻，需要热导率高于约 500W/(m.K)。但是，对于高于约 500W/(m.K) 的高热导率，热阻的下降率会变小。实际上，SiC 已被证明可作为 VECSEL 应用的有效散热材料。23)

3. GaAs/SiC 晶片键合实验研究

3.1 实验步骤

键合实验采用 2 英寸化学机械抛光 SiC(0001) 晶片（多型：4H 或 6H，厚度：350µm）和 2 英寸或 3 英寸 GaAs(100) 晶片（厚度：350–450µm）。使用原子力显微镜 (AFM) 扫描键合晶片上 1.0 × 1.0µm2 的表面积来测量晶片的表面粗糙度。

SAB 程序从在超高真空键合设备中用氩快原子束 (Ar-FAB) 轰击激活晶片表面开始。当真空度达到 5 × 10¹6Pa 时，用 Ar-FAB 源同时激活两个晶片表面 200–600 秒，电压为 1.5kV，电流为 60mA。在 Ar-FAB 辐射后，晶圆在室温下与真空中施加 2.45kN 的力接触，但不暴露于环境压力下。

键合后，将键合晶圆切成 10 × 10mm2 大小的芯片，并使用万能材料试验机 (Tensilon RTG-1225) 测量拉伸键合强度。

使用在 300kV 下运行的透射电子显微镜 (TEM；Hitachi H-9000NAR) 观察键合界面的微观结构。界面中的空隙会导致局部热点，但直接键合的好处是可以通过没有任何空隙的高质量键合界面实现。

图 4. (在线彩色) 原子力显微镜测量的表面形貌。(a) GaAs 晶片，(b) SiC 晶片。均方根粗糙度小于 0.5nm，适合直接键合。

3.2 实验结果

图 4 显示了 (a) GaAs 和 (b) SiC 表面的典型 AFM 图像。测得的 GaAs 和 SiC 晶片的表面粗糙度 (Rrms) 分别为 0.45 和 0.22nm。这些值足以实现直接晶片键合。在 Ar 束蚀刻 400 秒之前 (GaAs：0.45nm，SiC：0.22nm) 和之后 (GaAs：0.40nm，SiC：0.39nm)，表面粗糙度 (Rrms) 的变化并不明显。

GaAs 和 SiC 晶片通过 SAB 成功键合，无需任何热处理。图 5(a) 显示了在室温下通过 SAB 制备的 2 英寸 SiC/3 英寸 GaAs 晶片对的照片。在界面处观察到一些空隙 (未键合区域)，这可能是由键合晶片上存在的颗粒引起的。将键合晶圆切成 10 × 10mm2 块，如图 5(b) 所示。界面能足够高，可以切割键合晶圆对。样品对 (10 × 10mm2) 的两侧都粘在拉力试验机的附件上，并增加拉力直到样品分离。键合强度是通过将断裂时记录的力除以样品面积得到的。GaAs/SiC 的估计平均键合强度为 4.6MPa，高于之前报道的键合晶圆 (GaAs/Si: 0.6MPa8))。断裂主要发生在键合界面上，但有时也发生在块体 GaAs 内部。

图 6 显示了室温下通过 SAB 键合的 GaAs/SiC 界面的横截面 TEM 图像。TEM 观察表明，大部分界面光滑且无微孔，实现了原子级直接键合。观察到 GaAs/SiC 界面具有无序的非晶态中间层（厚度：约 2.5nm），这可能是由 Ar-FAB 辐射形成的。对于通过 SAB 键合的 Si/SiC 晶片，还报道了键合界面处的非晶层。11,13)

4. 结论

我们研究了 GaAs 和 SiC 晶片的 SAB，以改善高功率半导体激光器的散热。有限元建模结果表明，直接键合是实现有效散热的首选。在室温下以晶片级制造了直接键合的 GaAs/SiC 结构。SAB 方法有望成为未来高功率激光应用的有用技术。