低温晶片键合的实验和动力学特性研究

论文摘要

本论文工作是围绕任晓敏教授任首席科学家的国家重点基础研究发展规划项目(973计划项目)“新一代通信光电子集成器件及光纤的重要结构工艺创新与基础研究”项目分课题二“低温晶片键合及准单片光电子集成技术的创新与基础研究”(项目编号：2003CB314902)、国家自然科学基金重点项目“GaAs、InP基功能楔形结构材料工艺研究及在新型光电子器件中应用”(项目编号：90201035)展开的。 随着光电信息技术的发展，要求器件的尺寸越来越小，器件的性能越来越高，把不同的器件集成到一起已成为光电子器件研究的热点。而器件集成的实现是以材料集成的突破为先决条件。因此问题的关键主要集中在如何实现不同半导体材料间的异质兼容，从而最终实现器件的单片集成或准单片集成。由于GaAs和InP的晶格常数存在较大的失配，所以应用传统的异质生长技术得到的GaAs、InP的异质结构难以满足器件对材料提出的要求。对GaAs、InP晶片键合技术进行研究，正是为了利用键合技术集成材料的优势，得到高质量的GaAs、InP异质结构，进而获得高性能的器件。本论文对于利用低温晶片键合技术来实现大失配材料的准单片异质兼容的若干理论机理进行了系统的分析，并在实验上探讨了InP／GaAs的低温键合技术。主要的工作如下： 1．对键合技术的历史、现状，键合的方法以及键合技术在不同领域内的应用进行了系统的总结。 2．通过对键合晶片表面能和弹性能的分析推导出了键合发生的判定依据，并根据此依据分析了晶片表面的宏观尺度的弯曲对键合的影响。得出：键合晶片的厚度在键合中起重要作用。 3．由键合发生的判定依据给出了刻蚀对键合的影响。浅层的刻蚀图案使得键合的发生更加困难，而深层刻蚀可以促进键合。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景和研究意义
• 1.2 论文结构安排
• 第二章 晶片键合技术综述
• 2.1 晶片键合技术的起源及历史
• 2.2 晶片键合的主要方法
• 2.2.1 热键合技术
• 2.2.2 阳极键合技术
• 2.2.3 低温真空键合技术
• 2.2.4 粘合键合技术
• 2.2.5 低温共熔体键合技术
• 2.3 晶片键合的基本原理和工艺流程
• 2.3.1 晶片键合的基本原理
• 2.3.2 晶片键合的工艺流程
• 2.4 晶片键合技术的主要应用
• 2.4.1 长波长垂直腔型光电子器件
• 2.4.2 Si基长波长雪崩光电探测器
• 2.4.3 SOI光波导
• 2.4.4 制作GaN激光器
• 第三章 半导体晶片键合理论研究
• 3.1 键合发生的判定依据
• 3.1.1 键合发生判定依据的理论推导
• 3.1.2 键合晶片厚度比及键合前沿点对键合的影响
• 3.2 晶片刻蚀对晶片键合的影响
• 3.2.1 浅层刻蚀对晶片键合的影响
• 3.2.2 深层刻蚀对键合的影响
• 3.2.3 结论
• 3.3 室温下键合引起的应力
• 3.3.1 键合应力的基本模型
• 3.3.2 室温键合应力与键合能的关系
• 3.4 高温退火引起的热应力
• 3.4.1 高温退火引起的剪切应力
• 3.4.2 高温退火引起的正应力
• 3.4.3 高温退火引起的键合界面形变
• 第四章 晶片键合的分子动力学模拟
• 4.1 分子动力学基础知识
• 4.1.1 分子运动方程及其数值求解
• 4.1.2 分子动力学方法的约定
• 4.2 分子动力学模拟的基本步骤
• 4.2.1 模拟模型的设定
• 4.2.2 给定初始条件
• 4.2.3 趋于平衡
• 4.2.4 宏观物理量的计算
• 4.3 晶片键合的分子动力学模拟
• 4.3.1 模拟所用的微正则系综简介
• 4.3.2 Si-Si键合的分子动力学模拟
• 2-SiO₂键合的分子动力学模拟'>4.3.3 SiO₂-SiO₂键合的分子动力学模拟
• 第五章 InP／GaAs低温键合工艺探索和研究
• 5.1 键合晶片的表面处理
• 5.1.1 晶片表面的清洁处理
• 5.1.2 晶片表面腐蚀处理
• 5.1.3 晶体表面活化处理
• 5.1.4 晶片表面刻槽增强键合效果
• 5.2 InP／GaAs晶片低温键合的实验过程
• 5.3 键合晶片各方面性能测试
• 5.3.1 键合晶片表面的光学显微镜图
• 5.3.2 键合解理断面的光学显微镜图像
• 5.3.3 GaAs滤波腔的透射谱测试
• 参考文献
• 致谢