摘要：简单介绍了晶片键合的基本原理，指出了实现低温晶片键合的必要性；通过对比低温晶片键合技术的实现方式及其在通信光电子器件中的应用，指明表面改性是实现低温晶片键合的最有效手段。

　　关键词：低温晶片键合；光电子器件；表面改性

　　1引言

　　新一代光电子器件就是要实现光电子集成，但晶格失配的异质半导体材料的兼容问题却成为光电子集成道路上面临的最主要障碍之一。近年来才兴起的晶片键合技术属于准单片集成的范畴，它不受晶格失配度的限制，可以将异质半导体材料集成在一起，拓展了光电子集成的自由度。这样既解决了异质半导体材料的兼容问题，又充分利用了异质半导体材料的自身优点，大大提高了集成光电子器件的性能，因此成为集成光电子器件制备的最重要手段之一。

　　尽管晶片键合技术已经发展得比较成熟，但还是存在一些亟待解决的问题。其中如何按照器件的用途来优化和规范晶片键合工艺以及如何实现异质材料间的低温键合显得最为突出[1]。文中针对实现低温晶片键合的必要性和手段做了详细且深入的论述，同时列举了近几年来由低温晶片键合技术制备的若干通信光电子器件。

　　2 晶片键合的基本原理

　　所谓wafer bonding通常是指两片表面光滑平整的晶片紧密接触后，通过界面间形成共价键使二者融为一体。整个晶片键合过程可以简单地概括为表面处理、预键合和热处理3个部分[2]。表面处理主要是利用化学机械抛光来降低键合晶片的表面粗糙度（均方根值一般要小于1nm），然后利用化学溶液或等离子体对晶片进行清洗，去除晶片表面上附着的各种沾污，提高表面活性，同时获得特定的表面化学状态和表面终止；预键合主要是在室温下将表面处理好的晶片对准，并施加一定的外力，促使晶片对开始键合，同时采取一定的措施来避免键合表面上引入灰尘或颗粒；热处理主要是通过一定温度的退火在键合界面间形成共价键，增强界面间的键合强度，同时减少键合界面上形成的气泡或空洞。
　　键合界面的质量直接影响着集成器件的性能，而压力、退火温度、退火时间、气体环境等众多外部因素又直接决定着键合界面的质量。因此晶片键合完成后必须对键合界面的光学、电学和机械特性进行分析和评估，从而进一步优化上述各种参数以提高键合质量。

　　按照具体的实现方式可以将晶片键合分为直接键合[3]、阳极键合[4]与共熔键合[5]。其中直接键合不使用任何中间层材料，也不依赖于外部电场。一般来说，如果没有特殊说明，晶片键合就是指直接键合。

　　3 实现低温晶片键合的必要性和手段

　　3.1 必要性

　　晶片在室温下预键合好后，晶片对仅靠短程分子间作用力（如范德瓦尔斯力、静电力或毛细管作用力）粘合在一起，必须进一步高温退火以确保在晶片之间形成很强的共价键。一般来说，硅-硅直接键合的退火温度要高于1000℃，硅和III-V族化合物半导体直接键合的退火温度要高于600℃，III-V族化合物半导体之间直接键合的退火温度在 550~650℃之间[6,7]。

　　但高温退火又会带来很多严重的负面效应。如果键合晶片中已含有一些对温度敏感的器件结构，高温退火会导致其性能劣化，甚至失效。此外高温退火还会导致掺杂源扩散、金属引线熔化变形等。尤其是热失配较大的异质材料在预键合后经过高温退火处理，材料间不同的热膨胀系数会产生很大的热应力，热应力又会产生缺陷和位错，甚至会导致晶片破裂或完全不能键合，因此降低退火温度实现低温晶片键合具有十分重要的意义。

　　常规晶片键合过程中的高温退火主要是为了增加键合强度。与此相对应，低温晶片键合就是指在显著降低退火温度后，界面间的键合强度还能与高温退火条件下获得的键合强度相当，甚至更高。因此低温晶片键合技术所面临的最核心问题，就是如何在降低退火温度后获得足够的键合强度，同时又尽可能地保证键合后材料的电学和光学特性不会受到影响。

　　能否采用最经济、最有效的技术手段实现低温晶片键合，特别是异质材料间的低温晶片键合，直接决定着晶片键合技术能否得到更广泛的应用及其制备工艺是否具有更强的竞争力。

　　3.2 手段

　　3.2.1 表面活化

　　表面活化是利用特定的化学溶液或等离子体对键合晶片表面进行活化处理，不仅有效地去除了键合样品的表面沾污，更重要的是极大地提高了室温下键合样品的界面能，这样只需要较低的退火温度就可以获得足够的键合强度。目前多采用等离子体，特别是氧等离子体对键合样品进行表面活化处理来实现低温晶片键合[8,9]。经过氧等离子体活化过的晶片表面上形成了光滑平整的氧化物薄膜，并表现出极强的亲水性，但键合界面的电阻也随之增大，这又限制了键合材料的某些应用。从本质上讲，等离子体表面活化就是利用等离子体来改变键合晶片的表面特性和结构。

　　采用表面活化技术的