青禾晶元键合技术突破GeOI产业化瓶颈：散热效率提升40%

技术背景与优势

锗拥有高折射率特性，当光线从一种介质进入锗材料时，会发生较大角度的偏折，这一特性使得锗在操控光线方面具有强大的能力，能够精准地改变光线的传播路径，为光学器件的设计和应用提供了丰富的可能性。

GeOI（Germanium on insulator, 绝缘体上锗）衬底技术作为新一代半导体材料的关键解决方案，凭借其独特性能，在高频电子器件、光电子集成及量子计算等领域展现出显著优势。该技术通过在绝缘层上集成锗薄膜，结合了锗材料的高载流子迁移率和硅基工艺的成熟特性。目前，全球范围内GeOI技术正处于从实验室研发向产业化过渡的关键阶段。

产业化面临的主要挑战

在实际应用推广过程中，GeOI技术主要面临三大技术瓶颈：

热管理难题

锗材料的热导率仅为58 W/m·K，远低于硅材料的150 W/m·K。这一特性导致高功率器件工作时产生严重的热积累问题，采用传统高温键合工艺的GeOI器件，在高负载工况下温升可达100℃以上。但通过采用低温SAB（Surface Activated Bonding）键合工艺，将锗薄膜直接键合于高阻硅衬底，无中间氧化层，能够减小温度变化引发的热应力，降低界面开裂风险，有效提升散热，显著提升器件的性能与可靠性。

界面缺陷和键合强度

Ge表面易形成不稳定的氧化层，该氧化层不仅易挥发，且与SiO₂界面的结合力较弱；同时，键合界面可能存在微空洞或污染物，这些因素共同导致键合强度下降。通过特殊工艺，对键合界面进行处理，能够有效去除自然氧化层，实现Ge和Si的直接键合，提高键合表面洁净度，减少污染，提升键合界面强度。

产品成本挑战

一方面，全球锗材料年供应量仅200吨，受此限制，高纯锗材料的市场价格高达硅材料的10倍以上；另一方面，现有硅基产线无法直接兼容多种尺寸的GeOI衬底，需要针对性改造，包括光刻、蚀刻等关键工艺参数的重新优化，这将使设备改造成本增加30%-50%。使用多尺寸兼容设备，可以降低改造成本；在产线中集成晶圆回收模块，实现Ge 重复利用，也可以降低产品成本。

关键技术突破

针对上述挑战，青禾晶元SAB61超高真空常温键合系列设备提供了创新解决方案：

在热管理方面

设备采用常温键合技术，通过超高真空（10⁻⁶Pa）条件下的等离子体活化实现原子级结合。这一工艺完全避免了传统高温键合带来的热应力问题，实测显示器件散热效率提升40%。

在键合强度方面

通过清洗工艺或等离子体活化去除自然氧化层，提升键合表面洁净度，提高键合界面强度。

在量产成本方面

设备支持2-12英寸晶圆的混线生产，并集成H-cut回收模块。这种设计使锗材料利用率提升80%以上，8英寸GeOI衬底的单片生产成本从200美元降至75美元。

GeOI技术产业化的新纪元

未来，随着锗回收工艺的持续优化、异质材料常温键合集成技术的突破，以及太赫兹通信、量子计算专用器件等应用方向的深入探索，GeOI技术将在更广阔的领域发挥关键支撑作用。产学研协同创新将成为推动技术落地的核心动力，而国产设备的突破，则为中国半导体产业在全球竞争中赢得了重要的技术话语权。

GeOI技术的产业化进程，不仅是材料科学领域的一次重要突破，更是半导体制造能力的全面跃升。在5G/6G通信、高性能计算、光电集成等前沿领域的持续推动下，GeOI衬底有望成为下一代半导体器件的核心基石，进而开启全新的技术时代。