近日，Ryo Takigawa教授研究团队在applied surface science上发表论文。在论文中，作者介绍了一种新的室温晶片键合方法，使用活性硅原子层可以成功制造基于玻璃或蓝宝石的LiNbO3-on-insulator（LNOI）器件，用于射频光子应用。该方法涉及使用活性硅原子层作为粘合剂将四英寸的LiNbO3晶片键合到玻璃或蓝宝石晶片上。制造出的晶片的拉伸强度超过23 MPa，表明LiNbO3和玻璃或蓝宝石晶片之间的键合很强。键合界面的原子结构分析证实了活性硅原子层作为LiNbO3/玻璃和LiNbO3/蓝宝石粘合剂的有效性。

1. 引言

由LiNbO3薄膜粘结到低折射率材料上组成的绝缘体上锂铌酸盐晶片对于射频（RF）光学应用非常有前途，包括电光（EO）调制器。为了获得适合高性能光电器件制造的高质量材料，直接将LiNbO3与玻璃或蓝宝石进行粘结是必要的。然而，由于LiNbO3和玻璃之间存在显着的热膨胀系数不匹配，在键合过程中会导致晶片开裂和变形。

图1：(a)铌酸锂(未经加工)、(b)玻璃(未经加工)、(c)硅原子层沉积后的铌酸锂和(d)硅原子层沉积后的玻璃的表面形貌。扫描采用原子力显微镜(AFM)。

图2：(a) LiNbO3/玻璃和(b) LiNbO3/蓝宝石硅原子层的键合晶片。

表面活化键合（SAB）方法是一种有前途的室温固态键合方法，但在键合界面处存在金属中间层可能会导致不良光传播损失。因此，我们专注于以Si替代金属层，但基于玻璃或蓝宝石的LNOIs更为理想。

在本研究中，我们提出了一种新颖的方法，用于室温键合LiNbO3到玻璃和蓝宝石晶片以制造射频光学应用器件。

2. 实验方法

为了使用活性硅原子层将LiNbO3晶片与玻璃或蓝宝石晶片在室温下粘结起来，通过原子力显微镜（AFM）在敲击模式下操作进行扫描范围为1um-1um的表面粗糙度测量。在本研究中，在大气环境下进行刀片测试，并使用环氧胶黏剂进行拉伸测试以确保拉伸应力垂直于键合界面。通过存在或不存在剥落来测量键合强度。使用透射电子显微镜和扫描透射电子显微镜检查键合界面，并利用能谱分析仪和X射线光电子能谱分析元素分布接近键合界面。

图3. (a) LiNbO3/玻璃和(b) LiNbO3/蓝宝石的拉伸强度改善情况。

图4：晶圆切成0.5毫米方形键合芯片(a) LiNbO3/玻璃和(b) LiNbO3/蓝宝石。

图5：铌酸锂/玻璃结合界面的横截面透射电镜图像: (a)低倍率(× 50,000)和(b)高倍率(× 500,000)。

图6：铌酸锂/蓝宝石结合界面的横截面 TEM 图像: (a)低倍率(× 50,000)和(b)高倍率(× 500,000)。

使用Shimadzu SolidSpec-3700分光计评估了粘结的LiNbO3 / 玻璃晶片的透过率和反射率，以调查活性硅原子层的光吸收。

图7：(a) LiNbO3/玻璃和(b) LiNbO3/蓝宝石界面的 STEM-EDX 曲线。

图8：XPS 分析，(a)铌酸锂侧和(b)玻璃侧的 Si 2p 峰。

3. 结果和讨论

通过AFM测量了LiNbO3和玻璃晶片的表面粗糙度，并且Si沉积后表面粗糙度的变化微不足道。还验证了蓝宝石晶片的表面平整度。

LiNbO3/glass的键合强度为1.8    J m2，足以承受器件制造过程。无法对使用所提出方法和标准SAB方法制备的LiNbO3/sapphire进行刀片测试，因此通过拉伸和半切割测试评估了键合强度。使用标准SAB方法制备的LiNbO3/glass的拉伸强度为0 MPa，而Si原子层的键合强度为24    MPa。

将芯片粘接后，它们被分割成0.5毫米正方形芯片。在这一步骤中没有发生脱离现象，表明有很强的键合力。

围绕LiNbO3/glass结合界面的横截面TEM图像显示出观察到7纳米厚非晶态Si层，并且观察到原子级别上的附着力。此外，在结合界面附近处于晶体状态下的LiNbO3晶圆性质得以保持。

图9：(a) Li + ，(b) LiO2-和(c) Nb- 绘图和脱粘表面的 TOF-SIMS 测量结果。

TEM图像显示，在结合界面处存在非晶态Si层，证实了纳米级别上较好地粘附。

用STEM-EDXS分析技术对LiNbO3/glass和 LiNbO3/sapphire进行扫描透射电镜研究结果表明，在LiNbO3/glass中检测到了Si、Nb、O和Ar，而在LiNbO3/sapphire中由于使用带有Ar的Si靶材进行FAB，因此检测到了Al。

在刀片测试后对脱离的LiNbO3和玻璃表面进行XPS分析。未加工过的LiNbO3侧上检测到了Si Ox峰，但是经过 Si原子层沉积和脱离后，在两侧都检测到了Si峰。在 LiNbO3 和玻璃表面经过Si原子层沉积和脱离后观察不到峰形变化很小，这表明剥离发生在原始键合界面附近。

图10：(a)用建议的和标准的 SAB 方法制造的粘结芯片的透射率和(b)反射率。

为更详细地调查键合界面的原子结构，采用TOF-SIMS技术来测量与原始键合界面相应的剥离表面上元素分布情况。结果显示，在键合期间Li扩散有助于形成强大的键合界面，而Nb扩散对键合强度影响较小。

使用分光光度计测量粘接 LiNbO3/glass 晶圆时的光学透射率。结果表明所提出的粘接方法适用于制造包括 EO 调制器等光通信设备中 LNOI 晶圆。

4. 结论

总体而言，论文提供了有关使用活性硅原子层的新型室温晶片键合方法的宝贵信息，该方法在射频光子和光通信技术中具有潜在应用。本文还提供了有关制造LNOI器件的详细信息，包括使用该方法制造的四英寸LiNbO3晶片的拉伸强度和键合界面的原子结构分析结果。此外，作者还介绍了该方法在光通信中应用的潜力，包括宽带行波调制器。虽然这篇文章提供了有关新型晶片键合方法和LNOI器件制造的详细信息，但它并没有涉及其他相关主题，如射频光子和光通信技术的背景或其他可能与该方法竞争的技术。