《Sensors and Actuators A: Physical》：Room-temperature Au–Au die bonding of LiNbO? and Si in ambient air using O? Plasma treatment and sequential pre-bond low-temperature heating process
编辑推荐：
氧等离子体处理联合预键合低温加热实现室温下热膨胀失配材料LiNbO?与Si的金薄膜键合，有效去除有机污染物并抑制氧化物干扰，最高剪切强度达67.4MPa。
Kosei Matsunobu | Ryo Takigawa
九州大学研究生院及科学与电气工程学院，日本福冈市西区本冈744-0395
摘要
O?等离子体处理是半导体行业中有效去除有机污染物的强大方法。本文介绍了利用O?等离子体处理和顺序预加热工艺，在常压室温条件下实现LiNbO?和Si之间的Au–Au芯片键合的过程。经过O?等离子体处理后，Au表面会同时去除有机污染物并形成Au?O?。我们证明，通过在100–150°C的温度下进行预加热可以有效地去除Au?O?，从而在室温下实现牢固的键合。特别是对于像LiNbO?和Si这样热膨胀系数差异较大的不同材料，该方法能够实现超过67.4 MPa的极高剪切强度。这些结果表明，使用O?等离子体在常压室温条件下进行Au薄膜键合，对于热膨胀系数差异较大的材料（如LiNbO?和Si）具有很大的潜力。将O?等离子体处理与预加热过程结合用于表面活化，有望建立一种通用的表面活化键合方法，适用于室温下的Au–Au芯片或晶圆键合。
引言
通过芯片键合实现异质集成是一种有效的方法，它可以将不同类型的组件整合到单个封装中，从而提高各种半导体应用的功能性和性能。铌酸锂（LiNbO?）是一种具有优异电光、非线性光学和压电效应的铁电材料，能够传输从紫外到中红外范围内的光。它已被用于多种组件，包括光调制器、波长转换器、电场传感器、表面声波滤波器和热电传感器[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。由于硅（Si）易于加工且具有优异的电学、光学和机械性能，因此被广泛用于大规模集成（LSI）、微机电系统（MEMS）和Si光子学领域。因此，LiNbO?和Si芯片的异质集成对于开发结合这两种材料优势的高功能光子学、射频（RF）和电子应用至关重要。
传统的异质集成芯片键合方法通常涉及加热过程，如等离子体辅助亲水键合[6]、[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、焊料键合[12]、[13]和热压键合[14]、[15]、[16]、[17]。由于LiNbO?和半导体芯片之间的热膨胀系数存在差异，这些加热过程带来了重大挑战。特别是当热膨胀系数差异显著时（例如LiNbO?在a轴和b轴上的热膨胀系数为14.4 × 10?? K?1，而在c轴上的热膨胀系数为7.5 × 10?? K?1[18]，Si的热膨胀系数为2.6 × 10?? K?1[19]、[20]），会产生较大的热应力，导致键合样品出现裂纹和分层[21]。因此，需要在室温下键合热膨胀系数差异较大的材料（如LiNbO?和Si）。
解决这一问题的有效方法是表面活化键合（SAB）[22]、[23]。Au具有多种理想的特性，如抗氧化和抗腐蚀性，以及高电导率和热导率。迄今为止，使用Ar等离子体处理进行Au的表面活化键合已在常温空气中显示出较强的键合强度[24]、[25]、[26]、[27]、[28]。在SAB过程中，通常使用Ar等离子体处理进行活化，因为这样可以物理去除Au表面的有机污染物。O?等离子体处理是半导体行业中公认的强效有机污染物去除方法[29]。然而，O?等离子体处理会形成Au?O?层，这可能干扰键合过程。因此，根据先前的研究，Ar等离子体处理比O?等离子体处理更适用于Au–Au键合[30]、[31]。
本研究深入探讨了O?等离子体处理作为室温下Au–Au芯片键合表面活化过程的适用性。我们开发了一种新的表面活化工艺，结合了O?等离子体处理和键合前的顺序低温加热过程，成功实现了LiNbO?和Si在常压室温条件下的芯片键合，克服了它们之间的热膨胀系数差异问题。
样本制备
样品制备
准备了商业化的4英寸LiNbO?和Si晶圆，其厚度分别约为500 μm和525 μm。通过标准溅射方法，在这些芯片表面沉积了4 nm厚的Ti膜和50 nm厚的Au膜。随后，使用切片锯将晶圆切割成芯片。在键合实验中，使用了10 mm2或6 mm2的Si芯片和10 mm2的LiNbO?芯片。对于6 mm2的芯片，还制备了带有特定图案的Ti/Au膜。
键合强度
使用芯片剪切测试仪评估了Si-Si键合芯片的键合强度，结果如图2所示。如图2(a)所示，通过Ar等离子体处理的样品的键合强度约为51 MPa，而通过O?等离子体处理的样品的键合强度为0 MPa。经过O?等离子体处理后再进行Ar等离子体处理后，键合强度约为50.0 MPa，与仅通过Ar等离子体处理的样品相当。
讨论
实验结果表明，O?等离子体处理可以有效去除Au表面的有机污染物，但由于形成了氧化膜而阻碍了直接键合。然而，通过将此过程与预加热结合可以去除氧化膜，从而实现牢固的键合。O?等离子体处理过程可以轻松集成到现有的半导体制造设备中，因此非常适合工业应用。
结论
在本研究中，我们利用具有强大有机污染物去除能力的O?等离子体处理，在常温空气中实现了高键合强度的Au–Au芯片键合。最重要的成果是，结合O?等离子体处理和100–150°C的预加热过程，成功实现了热膨胀系数差异较大的不同材料（如LiNbO?和Si）之间的室温键合。
作者贡献声明
Ryo Takigawa：撰写、审稿与编辑、项目监督、方法论设计、实验研究、资金申请、概念构思。
Kosei Matsunobu：撰写初稿、数据可视化、资源准备、方法论设计、实验研究、数据分析、数据整理。
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Ryo Takigawa表示获得了日本学术振兴会的财务支持；Ryo Takigawa还表示获得了日本科学技术机构的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的可能影响研究的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了JSPS KAKENHI（项目编号JP 24H00318）、JST CREST（项目编号JPMJCR2103）、JST CRONOS（项目编号JPMJCS24N5）和NICT（项目编号JPJ012368C02801）的支持。
Kosei Matsunobu目前是日本九州大学信息科学与电气工程学院的硕士研究生。他于2025年获得九州大学学士学位，主要从事下一代光子封装的低温键合研究。
