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蓝宝石-蓝宝石-直接亲水键合：

特点：无需引入中间层，结合强度好，气密性高，可以在高温环境下工作，需要退火。

蓝宝石蓝宝石直接键合--基于蓝宝石直接键合技术的非本征法布里-珀罗干涉仪 (EFPI) 的全蓝宝石压力传感器

蓝宝石-蓝宝石-引入中间层pab键合：

特点：引入sio2中间层，无需退火，低温键合。

抽象的：

Al 2 O 3 作为光学、介电、机械材料广泛应用于电子应用，其键合对于器件的制造和封装具有重要作用。以往的研究表明，顺序等离子体活化键合（SPAB）是提高SiO 2 材料低温键合强度的有效方法，但对于Al 2 O 3 材料却无效。因此，我们提出通过引入SiO 2 中间层使用SPAB进行低温蓝宝石键合。为此，在本研究中，我们研究了 SPAB 通过反应溅射在蓝宝石晶圆上沉积 SiO 2 层的适用性。SiO 2 层具有合适的表面光滑度和组成，与熔融二氧化硅相当。实验结果表明SPAB在SiO 2 中间层蓝宝石键合中的适用性。

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, ic-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 and more(晶体，陶瓷，等等)

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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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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关键词——晶圆键合、等离子体活化、蓝宝石

I. 引言

由于 Al2O3 的机械、化学和光学特性，其直接键合在光学、电子和 MEMS 器件的制造和封装中发挥着重要作用 [1]。在键合过程中，应避免高温退火，以免损坏基板和器件，这通常与热膨胀系数不匹配有关。

为了降低 Al2O3 的键合温度，必须在蓝宝石上制备反应性表面，以便在温和条件下在键合界面形成键。为此，蓝宝石的键合是通过反应性界面实现的，例如通过 Ar 快原子轰击活化的 Al2O3 和沉积的金属中间层 [2,3]。

另一方面，亲水键合是包括 Al2O3 在内的晶圆键合中最广泛采用的键合 [4]。在此工艺中，Al2O3 表面以羟基终止，通过键合后退火分解成键合界面上的氧化物，以增强键合强度。为了通过低温工艺实现更高的键合强度，主要使用等离子表面处理来增加羟基的数量。对 Al2O3 进行等离子处理可以去除水分，并通过物理和化学方式吸附在清洁且活跃的表面上。

在等离子活化中，据报道，顺序等离子活化键合 (SPAB) 是一种键合 Si 基材料（例如热 Si 氧化物和熔融石英的 Si 和 SiO2）的新方法。正如我们所报道的，这是由于键合界面上形成了活性氧氮化物 (SiOxNy) [5]。因此，SPAB 工艺对熔融石英有效，可在 200°C 下提高键合强度。

然而，SPAB工艺尚未证明能提高蓝宝石的键合强度。结果表明，在Al2O3上进行SPAB工艺会导致铝氮化物的形成，这种氮化物不活跃，对键合界面的键合没有贡献。

基于以上实验结果，我们建议在蓝宝石的SPAB中引入SiO2中间层。由于SPAB对SiO2有效，因此中间SiO2层有望在低温下增强蓝宝石的键合强度。在本研究中，为了提高SPAB对Al2O3的键合强度，我们研究了溅射SiO2层作为键合界面中间层的适用性。

II.方法

A.样品制备

为了研究SiO2中间层的效果，我们在4英寸和0.6毫米厚的蓝宝石晶片上沉积了5纳米厚的SiO2层作为Al2O3。SiO2 层是使用 Al 靶和 O2 气体通过反应溅射沉积的。

由于键合质量取决于表面光滑度，因此在 SiO2 沉积之前和之后使用原子力显微镜 (AFM) 评估基板的表面粗糙度。此外，如先前研究报告的那样，表面成分会影响 SPAB 反应。因此，使用 x 射线光电子能谱 (XPS) 分析晶圆表面。

B. 晶圆键合

为了比较，对已沉积SiO2层的蓝宝石晶圆进行键合实验。晶圆依次采用RF O2等离子体、RF N2等离子体和微波N2自由基通过SPAB工艺键合。等离子体条件为250 W，持续2分钟，微波自由基条件为250 W，持续15秒。等离子体激活后，晶圆暴露在相对湿度为90%的环境空气中，使水在晶圆表面进行物理和化学吸附。键合后，晶圆在200°C下退火2小时。

III.结果与讨论

图1显示了反应溅射沉积SiO2前后蓝宝石晶圆表面的AFM结果。SiO2沉积前表面粗糙度为RMS 0.28 nm，沉积后表面粗糙度为RMS 0.21 nm。一般情况下，粗糙度小于0.5nm的光滑表面即可成功实现键合。因此，即使在SiO2沉积之后，蓝宝石晶片的表面也足够光滑。

图2示出了SiO2沉积前后蓝宝石衬底Si2p和Al2p峰的XPS结果。此外，还显示了熔融石英的峰以供参考。首先，裸露的蓝宝石表面没有显示Si2p峰，同时，SiO2沉积层在蓝宝石表面上被检测为Si2p峰。虽然溅射SiO2层的峰与熔融石英峰并不完全相同，但表明溅射SiO2层的成分与纯SiO2相似。

裸露的蓝宝石表面的Al2p峰强度较高。虽然 SiO2 沉积的蓝宝石表面的 Al2p 峰比裸蓝宝石低，但与熔融石英表面不同，该峰是可检测到的。由于 XPS 检测的是样品最外层的成分，这表明蓝宝石表面基本上被溅射的 SiO2 覆盖，但检测到了 SiO2 层下面的 Al2O3。从 AFM 和 XPS 结果还表明，SiO2 中间层具有与熔融石英类似的表面条件，据报道，熔融石英通过 SPAB 工艺成功键合。

键合实验结果表明，通过溅射SiO2中间层成功实现了蓝宝石晶片的键合，由于沉积的SiO2具有足够光滑的表面且成分与熔融石英相当，因此该键合的实现机理与采用SPAB工艺的二氧化硅键合基本相同。

图 1. 蓝宝石表面通过反应溅射沉积 SiO2 之前 (a) 和之后 (b) 的 AFM 图像。

图 2. 裸露的蓝宝石、沉积 SiO2 的蓝宝石和熔融石英表面的 (a) Si2p 和 (b) Al2p 峰的 XPS 结果。