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本文的新颖的特色在于，作者采用原子层沉积镀膜得到氧化铝Al2O3膜层作为键合的中间层，来键合sio2和sio2,相对于直接键合sio2和sio2，获得了更好的键合强度。

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

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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（亲水键合）+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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摘要：

本研究利用表面活化键合 (SAB) 方法实现了 Al 2 O 3薄膜在原子层沉积 (ALD) 沉积的 Si 热氧化晶片上的室温晶片键合。透射电子显微镜 (TEM) 观察表明，这些室温键合的 Al 2 O 3薄膜似乎可以很好地用作纳米粘合剂，在热氧化 Si 膜之间形成强键。键合晶片成功切割成 0.5 mm × 0.5 mm 的尺寸，表示键合强度的表面能估计约为 1.5 J/m 2。这些结果表明可以形成强键，这对于设备应用来说已经足够。此外，研究了不同 Al 2 O 3微结构在 SAB 方法中的适用性，并通过实验验证了应用 ALD Al 2 O 3的有效性。Al 2 O 3薄膜是一种很有前途的绝缘体材料，此次成功的SAB为未来室温异质集成和晶圆级封装开辟了可能性。

介绍：

室温键合技术已成为光电子、MEMS、RF 和 CMOS 器件三维集成和晶圆级封装的一项具有挑战性的工艺。作为一种直接键合技术，通过等离子体活化的亲水键合正在成为半导体行业的主流1、2、3 。这种方法需要在几百度的温度下退火才能实现足够强的键合以满足实际应用。为了克服严重的热应力和键合对准精度的下降，开发室温键合技术至关重要。

作为一种解决方案，表面活化键合 (SAB) 4是一种很有前途的室温直接键合技术。在该方法中，首先使用氩 (Ar) 快原子束 (FAB) 辐照晶圆表面以去除有机污染物和原生氧化层，然后，在室温下使活化的晶圆表面接触。已经研究了该方法对各种材料的适用性，以用于广泛的设备应用。到目前为止，SAB 方法已经证明可以实现金属 (Cu-Cu 5、6和Au  -Au 7、8 )以及半导体 (Si-Si 9、Ge-Ge 10、Si-GaAs 11、Si-SiC 12和 GaAs-SiC 13 ) 的室温键合。但是，很难将此方法应用于 SiO 2和 SiN 的直接键合，而这两者适合用作半导体器件应用中的绝缘层材料14、15。为了克服这一限制，已报道了基于使用金属中间层的准直接键合概念的改进型 SAB 16、17、18、19 和原子扩散键合 20、21。此外，最近还报道了一种使用 Si 中间层的室温键合方法22、23、24、25 。在一些电子应用中，例如使用垂直电互连的3D集成，这些中间层会导致严重的电流泄漏。因此，绝缘材料的 SAB 非常受欢迎。

Al 2 O 3是一种很有前途的替代绝缘体材料，因为它具有优异的电阻率和热导率，可与 SiO 2相媲美。到目前为止，最近已经研究了单晶 Al 2 O 3的 SAB 26 、通过雾 CVD 沉积的Al 2 O 3的 SAB 27和 Al 2 O 3 的亲水键合28（临时键合后需在 100-300°C 下退火）。在这里，我们重点研究了通过原子层沉积 (ALD) 生长的 Al 2 O 3薄膜，该方法允许精确生长、原子级厚度控制和大规模晶圆上的良好均匀性。先前关于通过 ALD 沉积的 Al 2 O 3 薄膜的报道已经研究了亲水键合29、30和改进的 SAB 31，其中 Si 粘合剂溅射沉积在 ALD 沉积的 Al 2 O 3膜上。还研究了通过离子束溅射沉积的 AlO 薄膜的SAB 32。将 ALD Al 2 O 3薄膜应用于 SAB 方法很有意思。

目前关于 SAB 方法应用于不经过加热过程的 ALD Al 2 O 3薄膜直接键合的研究很少，而且尚未实现较大的键合强度。本文研究了 SAB 方法在 ALD Al 2 O 3薄膜直接键合中的适用性，并与单晶蓝宝石进行了比较。此外，我们展示了使用 ALD 方法在 Si 热氧化物晶片上沉积的 Al 2 O 3 薄膜的室温晶片直接键合。与以前的报告相比，这项研究的新颖之处在于利用 Ar-FAB 的表面活化键合方法对通过 ALD 沉积的 Al 2 O 3薄膜进行键合。

结果与讨论

在室温下对 4 英寸 Si 热氧化晶片上的ALD Al 2 O 3薄膜进行 SAB。使用 Ar FAB 辐照进行表面活化。表面光滑度是室温直接键合的关键因素之一，通常要求均方根约为 0.5 nm 或更小33。首先，使用原子力显微镜 (AFM) 研究 Ar FAB 辐照之前和之后的晶片表面。图 1显示了在 1 µm × 1 µm 的测量区域内ALD Al 2 O 3表面的 AFM 图像。因此，在 Ar FAB 辐照之前和之后，ALD Al 2 O 3薄膜的 RMS 表面粗糙度分别为 0.32 nm 和 0.25 nm。这表明用于表面活化的 Ar FAB 辐照不会使表面显著变粗糙，并且 ALD Al 2 O 3膜的表面保持了足够的光滑度。

Fig1:采用 ALD 方法沉积的 Al 2 O 3薄膜的 AFM 图像。

图 2显示了用 ALD Al 2 O 3薄膜键合的SiO 2 –SiO 2界面的红外 (IR) 透射图像，显示整个键合晶圆中没有大的空隙。使用裂纹打开法34和半切割划片试验评估键合强度。在裂纹打开法中，将剃须刀片插入键合界面，使用扩展的裂纹长度可以计算出表示键合强度的表面能。使用测量的裂纹长度，估计 ALD Al 2 O 3 –ALD Al 2 O 3的表面能约为 1.5 J/m 2。然后使用切割锯对键合晶圆进行切割试验。将键合晶圆切成 10 平方毫米的芯片，然后将一个芯片半切成 0.5 平方毫米的碎片，留下芯片的底部。切割过程中施加的应力的耐久性表明了键合强度。如图 3所示，成功完成完美切割，未观察到脱粘或碎裂现象。这些结果表明 ALD Al 2 O 3薄膜之间可以实现牢固结合，这可能足以满足器件应用的要求。

Fig2:室温下带有 ALD Al 2 O 3薄膜的 4 英寸级键合热氧化 Si-Si 晶片的红外图像。

Fig3:切割后的 0.5 毫米 × 0.5 毫米芯片图像，切割完美，无脱粘现象。

使用透射电子显微镜（TEM）观察横截面键合界面的纳米结构。图 4 a、b 分别显示在低倍和高倍放大下获得的 TEM 图像。图4 b中的虚线 显示了 ALD Al 2 O 3薄膜的初始键合界面。

Fig4:a）低倍和（b）高倍放大的键合界面横截面 TEM 图像。

如图4b所示 ，在原子级上可以实现无空隙的键合界面，表明存在强键。此外，我们没有看到 Ar FAB 辐照造成的损伤层，而蓝宝石-蓝宝石的 SAB 中明显存在该损伤层。

这些结果表明，键合的 ALD Al 2 O 3薄膜起到了粘合剂的作用，并有助于两层 SiO 2薄膜之间形成牢固的键合。图 5显示了使用能量色散 X 射线光谱 (EDX) 获得的元素分析结果。图 5 a 显示了扫描 TEM (STEM) 图像；图像中的数字表示 EDX 测量点，图 5b显示了每个测量点的元素浓度。键合的 ALD Al 2 O 3在深度方向的元素分析（图 5b）表明，从深度方向的键合界面来看，成分几乎没有变化（测量点 4-6）。

Fig5:使用横截面 STEM-EDX 进行元素分析。

研究了 不同 Al 2 O 3的键强度。图6比较了蓝宝石–蓝宝石 (SA–SA)、蓝宝石–ALD Al 2 O 3 (SA–ALD) 和 ALD Al 2 O 3 –ALD Al 2 O 3 (ALD–ALD) 的键强度。使用裂纹张开法，估算出的键合 SA–SA、SA–ALD 和 ALD–ALD 的表面能分别约为 2.0、1.9 和 1.5 J/m 2。众所周知，典型的 ALD 沉积 Al 2 O 3薄膜是非晶态的。如图4所示 ，在键合的 ALD Al 2 O 3薄膜中没有可见的晶格结构，表明它是非晶态的。如图 7所示，测得的X射线衍射（XRD）结果也表明，ALD沉积的Al 2 O 3薄膜为非晶态。

Fig6：不同Al 2 O 3样品的结合强度比较。

Fig7:ALD Al 2 O 3薄膜的 XRD 图案。

Fig8:SiO 2与不同 Al 2 O 3样品之间的结合强度比较。

另一方面，虽然蓝宝石具有单晶结构，但由于 Ar FAB 辐射27 ，键合界面处会存在一层类非晶层（厚度 ≈ 1 nm）。我们可以看到，该晶体缺陷层对键合强度的影响很小，因为与非晶态 Al 2 O 3薄膜相比，可以获得足够的键合强度。我们证实了 Al 2 O 3薄膜-蓝宝石键比蓝宝石-蓝宝石键弱。这些结果表明，活化表面的结晶度会影响 Al 2 O 3的键合强度。此外，实验结果表明 ALD 方法适用于 Al 2 O 3薄膜的 SAB 。

接下来，在相同的键合条件下，对 SiO 2 –SiO 2、SiO 2 –ALD Al 2 O 3（ SiO 2 –ALD）、SiO 2 –SA（SiO 2 –蓝宝石）和 ALD Al 2 O 3 –ALD Al 2 O 3（ALD–ALD）进行 SAB。图 8显示了 SiO 2与不同 Al 2 O 3样品之间的键合强度比较。证实了SiO 2 –SiO 2和 SiO 2 –ALD的键合强度较低，其中 SiO 2 –ALD 的键合强度略大。相比之下，SiO 2 –SA 的键合强度大于两者。这表明，简单地将其中一块晶圆更换为结晶性更好的晶圆往往会提高键合强度。然而，必须在 SiO 2 的两侧都形成 ALD Al 2 O 3膜并将它们键合在一起，才能获得足够强的 SiO 2 –SiO 2键合界面，以供器件应用。这些结果还表明，Al 2 O 3单晶相更有效，并且从结合强度的角度来看结晶性很重要。

结论

本文成功应用SAB法实现了ALD Al 2 O 3薄膜的室温晶圆键合。键合的ALD Al 2 O 3薄膜似乎可以很好地用作纳米粘合剂并在SiO 2表面之间形成牢固的键合。键合晶圆被完美地切割成0.5 mm × 0.5 mm的尺寸，表示键合强度的表面能估计约为1.5 J/m 2。这些结果表明可以实现足以用于设备应用的强键合。此外，研究了不同Al 2 O 3微结构对SAB法的适用性，并通过实验验证了应用ALD Al 2 O 3的有效性。Al 2 O 3薄膜是一种很有前途的绝缘体材料，这种成功的SAB为未来室温异质集成和晶圆级封装开辟了可能性。此外，这项工作的结果对于开发采用室温键合方法用 ALD Al 2 O 3薄膜（而不仅仅是 SiO 2 -SiO 2键合界面）的绝缘体上 X 材料的制造技术具有重要意义。

制造方法：

在我们的实验中，我们使用了在具有 1 µm 热氧化膜的 4 英寸晶圆上通过原子层沉积 (ALD) 沉积的超薄 Al 2 O 3膜（厚度 = 6 nm）。ALD 沉积工艺使用三甲基铝 (TMA) 作为前体，臭氧 (O 3 ) 作为氧化剂。沉积温度为 400 °C。未进行沉积后退火。

接合使用晶圆级接合装置（MWB-08-AX、日本电产机床株式会社）进行。接合时，在5.1×10 −6  Pa的真空室内，同时对两片晶圆表面照射Ar-FAB。FAB照射条件为：电压1.5 kV、电流100 mA、Ar流量13 sccm、FAB照射时间为30 s。FAB照射后，立即在真空装置中使两片晶圆的FAB照射面接触，施加9.8×10 4 N的负荷10 s，进行接合。

采用X射线衍射（XRD）法评价ALD Al 2 O 3薄膜的结晶性，面内测量采用X射线入射角0.5度（临界角为0.4度）进行。

使用原子力显微镜（AFM，DimensionIcon，Bruker）评估沉积表面的粗糙度。通过TEM（Hitachi Hitech H9500）和STEM-EDX（Hitachi Hitech G4000）分析键合界面的纳米结构和元素组成。