【積體光路系列九】晶圓接合
■在系列一我們曾提及光源的重要性，這次我們來談談另一種發光材料與矽晶圓的整合：三五族化合物。
撰文｜方程毅
光學晶片，光源品質及發光效率決定了晶片的成敗，積體光路主要建構在矽晶圓上，光源須為雷射光，但矽卻不是個適合作雷射光源的材料，也因此必須借助其他材料幫忙，讓能發光的材料發光後再送進矽光波導裡。製作雷射本身並不困難，困難點在於把雷射光送進矽晶片裡。若只是單單把雷射光聚焦射入矽晶片會有很多不必要的損耗，模態(mode)跟相位(phase)也難以控制，因此最理想的狀態是能直接把雷射整合到晶片上，系列一提及利用化學氣相沉積同為四族元素的鍺(Ge)在矽晶片上，以簡化製程，本文我們要來談談另一種發光材料與矽晶圓的整合，三五族化合物。
積體光路目前最主要針對的波長為1550nm(請見系列四 波長的選擇)，這個波段發光效率最好的雷射材料是三五族化合物，主要包括 AlGaAs, InGaAs, InGaAsP等等，但跟鍺不同，三五族化合晶格常數(原子間距)及晶體結構與矽差距太大，要在矽晶圓上成長高品質的三五族材料相當困難，必須使用分子束磊晶，是成本很高的製程。既然長晶、鍍膜等技術難以達成，不如用最直覺的想法：把矽跟三五族化合物直接黏在一起？
這便是本文主題：晶圓接合(wafer bonding)。晶圓接合就字面上解釋即是把兩片晶圓硬生生接起來，以積體光路所需，必須有一片矽晶片，另外一片三五族化合物的雷射晶片，然後用某種神奇的方式讓兩片緊緊黏在一起。在解釋這些神奇的方法前，我們要先知道晶圓接合有什麼限制，如圖所示(此為比利時研究機構IMEC所做)，綠色跟橘紅色為三五族雷射(橘紅色是專門發光的gain material)，黃色為矽光波導，夾在中間透明偏藍的即為黏著層(bonding layer)。雷射光從橘紅色三五族製造出後必須被耦合(couple)進黃色的矽光波導(圖中那些楔形結構也都是為了幫助耦合)，因此為了讓光能夠順利從雷射材料進入矽光波導，兩片晶片的垂直距離要越小越好，也就是說中間黏著層不能太厚，否則雷射光根本進不去矽裡面，一般來說必須小於數百奈米；再者，黏著層不能吸收雷射光，若是光從雷射晶片進入到矽的過程中必須經過吸收的黏著層，耦合的效率將會很差，也失去晶圓接合的意義了。
目前研究最主要的黏著層為DVS-BCB(divinylsiloxane- bis-benzocyclobutene)這個高分子。DVS-BCB厚度大約在數十到數百奈米，製程較容易，能在室溫下完成，而且不會吸收雷射光。但為了將兩片接合，必須在三五族雷射跟矽中間夾了這麼一層東西，可別小看這薄薄一層，雷射光能否成功從三五族耦合到矽裡面關鍵就是那幾十到幾百奈米。於是也有研究乾脆把黏著層去掉，直接利用電漿催化晶片表面再直接接合。兩種方法各有優缺點，使用黏著層製程容易，耦合效率差；直接接合須高溫製程但耦合效率較佳。
以使用黏著層DVS-BCB來說，黏著前必須先清洗，接著在矽晶片上塗上一層DVS-BCB高分子，再將雷射晶片黏上去(當然過程沒那麼單純)。若直接用電漿催化晶片表面，也必須先將晶片表面用酸及氫氟酸清洗，再利用氧電漿激活表面，接著迅速將兩片黏在一起，最後再放置高溫數小時。其優點為兩片晶片是真的直接黏在一起，中間沒有任何夾層，所以光耦合效率佳，但困難點在於製程條件非常嚴苛，因為這個方法完全靠材料表面受電漿激活後暫時的黏性，除了試片表面的清洗要非常乾淨以外，步驟跟步驟之間也必須很快速連接起來，否則表面狀態改變就無法接合成功了。
目前學術界研究晶圓接合最負盛名的單位是比利時的IMEC以及加州大學聖塔芭芭拉分校(University of California, Santa Barbara)的John Bowers教授，John Bowers教授更是利用這個技術成立一間新創公司Aurrion，由此可見這項技術頗具未來性，但晶圓接合技術的耦合效率還要透過許多複雜的光學設計及對位技術，仍還有很長的路要走。
圖片來源：Lamponi, M., Shahram Keyvaninia, C. Jany, F. Poingt, F. Lelarge, G. De Valicourt, Günther Roelkens et al. "Low-threshold heterogeneously integrated InP/SOI lasers with a double adiabatic taper coupler." Photonics Technology Letters, IEEE 24, no. 1 (2012): 76-78.
參考資料：
- Lamponi, M., Shahram Keyvaninia, C. Jany, F. Poingt, F. Lelarge, G. De Valicourt, Günther Roelkens et al. "Low-threshold heterogeneously integrated InP/SOI lasers with a double adiabatic taper coupler." Photonics Technology Letters, IEEE 24, no. 1 (2012): 76-78.
- Keyvaninia, Shahram, Gunther Roelkens, Dries Van Thourhout, Christophe Jany, Marco Lamponi, Alban Le Liepvre, Francois Lelarge et al. "Demonstration of a heterogeneously integrated III-V/SOI single wavelength tunable laser."Optics express 21, no. 3 (2013): 3784-3792.
- Bondarenko, Olesya, Cheng-Yi Fang, Felipe Vallini, Joseph ST Smalley, and Yeshaiahu Fainman. "Extremely compact hybrid III-V/SOI lasers: design and fabrication approaches." Optics express 23, no. 3 (2015): 2696-2712.
- Fang, Alexander W., Hyundai Park, Ying-hao Kuo, Richard Jones, Oded Cohen, Di Liang, Omri Raday, Matthew N. Sysak, Mario J. Paniccia, and John E. Bowers. "Hybrid silicon evanescent devices." Materials today 10, no. 7 (2007): 28-35.
--
作者：方程毅 科教中心特約寫手，從事科普文章寫作。
