技術(shù)背景與優(yōu)勢(shì)
鍺擁有高折射率特性，當(dāng)光線從一種介質(zhì)進(jìn)入鍺材料時(shí)，會(huì)發(fā)生較大角度的偏折，這一特性使得鍺在操控光線方面具有強(qiáng)大的能力，能夠精準(zhǔn)地改變光線的傳播路徑，為光學(xué)器件的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了豐富的可能性。
GeOI（Germanium on insulator, 絕緣體上鍺）襯底技術(shù)作為新一代半導(dǎo)體材料的關(guān)鍵解決方案，憑借其獨(dú)特性能，在高頻電子器件、光電子集成及量子計(jì)算等領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)。該技術(shù)通過(guò)在絕緣層上集成鍺薄膜，結(jié)合了鍺材料的高載流子遷移率和硅基工藝的成熟特性。目前，全球范圍內(nèi)GeOI技術(shù)正處于從實(shí)驗(yàn)室研發(fā)向產(chǎn)業(yè)化過(guò)渡的關(guān)鍵階段。
產(chǎn)業(yè)化面臨的主要挑戰(zhàn)
在實(shí)際應(yīng)用推廣過(guò)程中，GeOI技術(shù)主要面臨三大技術(shù)瓶頸：
熱管理難題
鍺材料的熱導(dǎo)率僅為58 W/m·K，遠(yuǎn)低于硅材料的150 W/m·K。這一特性導(dǎo)致高功率器件工作時(shí)產(chǎn)生嚴(yán)重的熱積累問(wèn)題，采用傳統(tǒng)高溫鍵合工藝的GeOI器件，在高負(fù)載工況下溫升可達(dá)100℃以上。但通過(guò)采用低溫SAB（Surface Activated Bonding）鍵合工藝，將鍺薄膜直接鍵合于高阻硅襯底，無(wú)中間氧化層，能夠減小溫度變化引發(fā)的熱應(yīng)力，降低界面開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)，有效提升散熱，顯著提升器件的性能與可靠性。
界面缺陷和鍵合強(qiáng)度
Ge表面易形成不穩(wěn)定的氧化層，該氧化層不僅易揮發(fā)，且與SiO?界面的結(jié)合力較弱；同時(shí)，鍵合界面可能存在微空洞或污染物，這些因素共同導(dǎo)致鍵合強(qiáng)度下降。通過(guò)特殊工藝，對(duì)鍵合界面進(jìn)行處理，能夠有效去除自然氧化層，實(shí)現(xiàn)Ge和Si的直接鍵合，提高鍵合表面潔凈度，減少污染，提升鍵合界面強(qiáng)度。
產(chǎn)品成本挑戰(zhàn)
一方面，全球鍺材料年供應(yīng)量?jī)H200噸，受此限制，高純鍺材料的市場(chǎng)價(jià)格高達(dá)硅材料的10倍以上；另一方面，現(xiàn)有硅基產(chǎn)線無(wú)法直接兼容多種尺寸的GeOI襯底，需要針對(duì)性改造，包括光刻、蝕刻等關(guān)鍵工藝參數(shù)的重新優(yōu)化，這將使設(shè)備改造成本增加30%-50%。使用多尺寸兼容設(shè)備，可以降低改造成本；在產(chǎn)線中集成晶圓回收模塊，實(shí)現(xiàn)Ge 重復(fù)利用，也可以降低產(chǎn)品成本。
關(guān)鍵技術(shù)突破
針對(duì)上述挑戰(zhàn)，青禾晶元SAB61超高真空常溫鍵合系列設(shè)備提供了創(chuàng)新解決方案：
在熱管理方面
設(shè)備采用常溫鍵合技術(shù)，通過(guò)超高真空（10??Pa）條件下的等離子體活化實(shí)現(xiàn)原子級(jí)結(jié)合。這一工藝完全避免了傳統(tǒng)高溫鍵合帶來(lái)的熱應(yīng)力問(wèn)題，實(shí)測(cè)顯示器件散熱效率提升40%。
在鍵合強(qiáng)度方面
通過(guò)清洗工藝或等離子體活化去除自然氧化層，提升鍵合表面潔凈度，提高鍵合界面強(qiáng)度。
在量產(chǎn)成本方面
設(shè)備支持2-12英寸晶圓的混線生產(chǎn)，并集成H-cut回收模塊。這種設(shè)計(jì)使鍺材料利用率提升80%以上，8英寸GeOI襯底的單片生產(chǎn)成本從200美元降至75美元。
GeOI技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的新紀(jì)元
未來(lái)，隨著鍺回收工藝的持續(xù)優(yōu)化、異質(zhì)材料常溫鍵合集成技術(shù)的突破，以及太赫茲通信、量子計(jì)算專用器件等應(yīng)用方向的深入探索，GeOI技術(shù)將在更廣闊的領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵支撐作用。產(chǎn)學(xué)研協(xié)同創(chuàng)新將成為推動(dòng)技術(shù)落地的核心動(dòng)力，而國(guó)產(chǎn)設(shè)備的突破，則為中國(guó)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在全球競(jìng)爭(zhēng)中贏得了重要的技術(shù)話語(yǔ)權(quán)。
GeOI技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程，不僅是材料科學(xué)領(lǐng)域的一次重要突破，更是半導(dǎo)體制造能力的全面躍升。在5G/6G通信、高性能計(jì)算、光電集成等前沿領(lǐng)域的持續(xù)推動(dòng)下，GeOI襯底有望成為下一代半導(dǎo)體器件的核心基石，進(jìn)而開(kāi)啟全新的技術(shù)時(shí)代。
來(lái)源：青禾晶元
