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技術(shù)背景與優(yōu)勢

鍺擁有高折射率特性，當(dāng)光線從一種介質(zhì)進入鍺材料時，會發(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，憑借其獨特性能，在高頻電子器件、光電子集成及量子計算等領(lǐng)域展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢。該技術(shù)通過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)正處于從實驗室研發(fā)向產(chǎn)業(yè)化過渡的關(guān)鍵階段。

產(chǎn)業(yè)化面臨的主要挑戰(zhàn)

在實際應(yīng)用推廣過程中，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產(chǎn)生嚴重的熱積累問題，采用傳統(tǒng)高溫鍵合工藝的GeOI器件，在高負載工況下溫升可達100℃以上。但通過采用低溫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，降低界面開裂風(fēng)險，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，鍵合界面可能存在微空洞或污染物，這些因素共同導(dǎo)致鍵合強度下降。通過特殊工藝，對鍵合界面進行處理，能夠有效去除自然氧化層，實現(xiàn)Ge和Si的直接鍵合，提高鍵合表面潔凈度，減少污染，提升鍵合界面強度。

產(chǎn)品成本挑戰(zhàn)

一方面，全球鍺材料年供應(yīng)量僅200噸，受此限制，高純鍺材料的市場價格高達硅材料的10倍以上；另一方面，現(xiàn)有硅基產(chǎn)線無法直接兼容多種尺寸的GeOI襯底，需要針對性改造，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)，通過超高真空（10??Pa）條件下的等離子體活化實現(xiàn)原子級結(jié)合。這一工藝完全避免了傳統(tǒng)高溫鍵合帶來的熱應(yīng)力問題，實測顯示器件散熱效率提升40%。

在鍵合強度方面

通過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)化的新紀元

未來，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)新將成為推動技術(shù)落地的核心動力，而國產(chǎn)設(shè)備的突破，則為中國半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)在全球競爭中贏得了重要的技術(shù)話語權(quán)。

GeOI技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化進程，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、高性能計算、光電集成等前沿領(lǐng)域的持續(xù)推動下，GeOI襯底有望成為下一代半導(dǎo)體器件的核心基石，進而開啟全新的技術(shù)時代。?

來源：青禾晶元