光电子器件的铌酸锂间接键合技术研究进展

         键合技术分为间接键合技术和直接键合技术，不同键合技术根据其不同工艺条件和工艺原理应用于特定的领域。本文介绍了有关铌酸锂键合技术研究进展及铌酸锂键合技术在光电子器件的应用，并对铌酸锂键合技术未来的发展进行了展望。

间接键合技术

        间接键合技术是将两个或多个晶圆通过中介层进行可靠连接的技术，在两个晶圆之间引入中介层实现键合，中介层通常是一层薄膜，可以是金属、聚合物、氧化物等材料。键合过程中，中介层的表面被激活，使其与晶圆表面形成强的键合。

         间接键合技术能够实现不同材料之间的键合，克服了直接键合中材料选择的限制，可以在不同材料之间实现高质量的键合连接。间接键合通过中介层可以实现不同尺寸、形状的元件间键合，使得间接键合技术适用于各种器件和应用领域。基于苯并环丁烯（ＢＣＢ）的粘合剂键合是目前铌酸锂间接键合常用的方法。但由于间接键合技术需要额外的中介层材料和加工步骤，加工流程复杂，制造成本较高。王鑫微研究了基于ＢＣＢ的硅和铌酸锂键合最佳工艺。测得键合温度２５０℃，保温２ｈ，施加压力０．０５ＭＰａ时，键合效果较好，键合率达到９７．７３％，剪切强度达到２．０９ＭＰａ，键合界面良好，这为加工与制造异质集成的光电子器件提供了良好效果的工艺基础技术。李云飞通过退火温度试验，基于ＢＣＢ完成了Ｓｉ和ＬＮ的键合，通过降低退火固化最高温度到２００℃以及延长保温时间至１００ｍｉｎ，解决了键合中热失配导致的ＬＮ碎裂问题，测试了旋涂速度、稀释剂含量对键合层厚度及键合强度的影响，测得在旋涂转速为５　０００ｒ／ｍｉｎ，Ｍｅｓｉｔｙｌｅｎｅ（均三甲苯）与ＢＣＢ的质量比为５:１时，ＢＣＢ层厚度仅约为１５０ｎｍ，但键合强度随着ＢＣＢ层厚度的降低而减小，经测试，键合强度为３ＭＰａ。利用该技术研制了ＬＮ薄膜微环谐振器。该谐振器的消光比为６．９８１ｄＢ，传输损耗为０．４１５ｄＢ／ｃｍ。李杰通过ＢＣＢ胶实现了铌酸锂晶片在硅衬底上异质键合，测得当甩胶转速为３０００ｒ／ｍｉｎ，预烘温度为９０℃，预烘时间为８０ｓ时，预键合质量最佳。预烘温度过高或预烘时间过长会导致预键合无法完成，预烘温度过低或预烘时间过短会导致预键合层ＢＣＢ胶溢出，键合压力大于１ＭＰａ时会导致铌酸锂晶片碎裂，低于０．４ＭＰａ时会出现键合层不完整，固化温度超过３００ ℃或升温速率高于２．５ ℃／ｍｉｎ会出现裂纹。

        间接键合的中介层厚度对于间接键合的质量和性能有一定影响，如果中介层过厚，可能会引起应力集中、散热问题或电性能损失等问题，而过薄的中介层可能会导致键合强度较低。Ｈｅ　Ｍｉｎｇｂｏ等通过ＢＣＢ键合技术制备了大于１００Ｇｂｉｔ／ｓ的马赫－曾德尔调制器，该调制器混合波导的横截面ＢＣＢ中间层厚度仅３００ｎｍ，调制带宽大于７０ＧＨｚ，插入损耗为２．５ｄＢ，调制速率高达１１２Ｇｂｉｔ／ｓ，功耗低至１７０ｆＪ／ｂｉｔ，为未来高速、节能和经济的光通信网络开辟了新的途径。Ｘｕ　Ｍｅｎｇｙｕｅ等通过ＢＣＢ键合技术实现了ＬＮ波导和Ｓｉ波导的结合，ＢＣＢ层厚度为３００ｎｍ，而Ｓｉ波导和ＬＮ波导之间的ＢＣＢ层厚度为８０ｎｍ，使光可以从Ｓｉ波导中耦合到ＬＮ脊波导，测试结果表明，耦合效率大于９０％。Ｒｏｅｌｋｅｎｓ等通过稀释ＢＣＢ来降低ＢＣＢ薄膜的厚度，得到的ＢＣＢ键合层厚度为２００ｎｍ。研究发现，使用ＢＣＢ胶键合制备的异质集成器件的可靠性难以保证。Ｚｈｅｎ　Ｓｏｎｇ等研究发现，使用ＢＣＢ胶键合会伴随空洞的形成，主要有中心空洞、花空洞、微空洞和絮状空洞，使用未固化和部分固化的ＢＣＢ粘合剂可减少空洞面积。为进一步减少键合空洞现象，专家使用新的键合中间层或采用离子注入的方法。Ｔａｋｉｇａｗａ等采用银和金作为中间层实现了ＬｉＮｂＯ３和Ｓｉ之间的键合，但因金属对光固有的强吸收作用，使得以金属作为中间层的键合方法无法用于波导器件的制备。Ｙａｏ　Ｓｈｕａｉ等在铌酸锂中注入离子，然后使用ＢＣＢ对铌酸锂和硅进行键合，在硅衬底上制备出铌酸锂薄膜，但经光学显微镜测试发现，铌酸锂薄膜存在平行的微小裂纹。Ａｓｍａｔｕｌｕ等采用等离子体对键合界面进行处理，以提高ＢＣＢ厚度为３００ｎｍ 的Ｓｉ和ＩｎＰ的键合强度。测试表明，经等离子体表面活化处理后样品清洁度高，同时增加了键合样品表面润湿性和粘性。欧欣发明了一种适用于铌酸锂的临时键合和解键合方法，使用热释电材料ＳｉＯ２或氮化硅为介质层，介质层厚度为０．１～１０μｍ，表面粗造度小于１ｎｍ，无需增加均匀性和平整度较差的临时键合过渡层或涂敷绝缘胶层，能够耐受３００℃以上的高温，保证了后续器件加工的一致性。