由鋅金屬和過氧化鋅的反應(yīng)性結(jié)合形成的層狀結(jié)合的結(jié)構(gòu)

背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及利用過氧化鋅和鋅金屬的反應(yīng)性結(jié)合形成氧化鋅的結(jié)合材料。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
根據(jù)本公開的一個(gè)方面，提供了用于由鋅金屬和過氧化鋅之間的反應(yīng)性結(jié)合形成的層狀結(jié)合的結(jié)構(gòu)的方法、系統(tǒng)和裝置。在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式中，本公開教導(dǎo)了形成結(jié)合的層狀結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括提供第一結(jié)構(gòu)和第二結(jié)構(gòu)，利用第一和第二結(jié)構(gòu)中的一個(gè)或多個(gè)上的鋅金屬和過氧化鋅形成層，處理第一和第二結(jié)構(gòu)以引起鋅金屬的氧化，和利用第一和第二結(jié)構(gòu)之間的氧化鋅形成另一層。在至少一個(gè)實(shí)施方式中，氧化鋅由鋅金屬的氧化和過氧化鋅的脫氧形成。在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，氧化產(chǎn)生自過氧化鋅提供的氧，以及來自環(huán)境條件的氧。有利地，處理接觸的層包括在大約100-400℃的溫度范圍內(nèi)施加熱至接觸的層。有利地，處理接觸的層包括施加大約5至80psi范圍內(nèi)的壓力。有利地，氧化鋅由鋅金屬的氧化形成。優(yōu)選地，氧化鋅由過氧化鋅的熱致轉(zhuǎn)化反應(yīng)形成。有利地，氧化產(chǎn)生自過氧化鋅提供的氧。優(yōu)選地，氧化產(chǎn)生自提供給接觸的層的氧氣。有利地，第一和第二結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)包括晶片。有利地，第一和第二結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)包括半導(dǎo)體?？蛇x地，第一和第二結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)包括太陽(yáng)能電池?？蛇x地，第一和第二結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)包括砷化鎵。根據(jù)本公開的進(jìn)一步方面，提供了包括第一結(jié)構(gòu)和第二結(jié)構(gòu)的結(jié)合的層狀結(jié)構(gòu)和包括第一和第二結(jié)構(gòu)之間的氧化鋅的層，其中氧化鋅由第一和第二結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)上的鋅金屬的氧化形成。在至少一個(gè)實(shí)施方式中，氧化鋅由第一和第二結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)上的過氧化鋅的脫氧形成。有利地，氧化鋅由將第一和第二結(jié)構(gòu)暴露于大約100-400℃范圍內(nèi)的溫度形成。有利地，氧化鋅由通過施加大約5至80psi范圍內(nèi)的壓力使第一和第二結(jié)構(gòu)接觸形成。有利地，氧化鋅由第一和第二結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)上的過氧化鋅形成。有利地，氧化鋅由提供給第一和第二結(jié)構(gòu)的氧氣形成。有利地，第一和第二結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)包括晶片。有利地，第一和第二結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)包括半導(dǎo)體。有利地，第一和第二結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)包括太陽(yáng)能電池。有利地，第一和第二結(jié)構(gòu)中的至少一個(gè)包括砷化鎵。特征、功能和優(yōu)點(diǎn)可在本發(fā)明的各種實(shí)施方式中單獨(dú)地實(shí)現(xiàn)或可在仍其他實(shí)施方式中結(jié)合。附圖說明本公開的這些和其他特征、方面和優(yōu)點(diǎn)將相對(duì)于以下的描述、所附權(quán)利要求和附圖變得更好理解，其中：圖1顯示了在兩種結(jié)構(gòu)之間形成層狀結(jié)合的結(jié)構(gòu)的結(jié)合過程的圖解；和圖2顯示了形成層狀結(jié)合的結(jié)構(gòu)的方法。發(fā)明詳述本文公開的方法和裝置提供了應(yīng)用中用于結(jié)合層狀結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)，特別是利用諸如在半導(dǎo)體和其他材料諸如層狀陶瓷、層狀金屬、層狀復(fù)合材料中的層狀晶片的應(yīng)用。具體地，通過形成將結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起的氧化鋅層，該系統(tǒng)提供了層狀結(jié)構(gòu)之間的結(jié)合。氧化鋅產(chǎn)生自發(fā)生在鋅金屬和過氧化鋅之間的反應(yīng)，其中鋅金屬和過氧化鋅提供在結(jié)構(gòu)上的層中。某些處理技術(shù)要求利用層之間的高透明度和高傳導(dǎo)介質(zhì)諸如氧化鋅來結(jié)合層狀材料。在先前的方法中，結(jié)合過程利用了材料諸如：1)薄金屬界面層；2)薄聚合物膜；3)具有直接氧化物結(jié)合機(jī)制的透明的傳導(dǎo)氧化物；4)重?fù)诫sIII-V界面層；和5)透明的碳納米管膜。然而，利用這些材料的方法顯示了各種限制。例如，所述層不得不高度拋光或要求高水平的能量用于處理。為了幫助使將層結(jié)合在一起的這種限制最小化，本方法利用鋅的低熔化溫度引發(fā)鋅金屬中的氧結(jié)合并將鋅金屬轉(zhuǎn)化為氧化鋅。氧化鋅形成所需的氧來自過氧化鋅和，如有需要，添加的氧氣。鋅金屬的使用允許在結(jié)合前主體層狀材料的表面形貌的靈活性和較高的容限，使得該方法顯示高產(chǎn)量的整合方案。在以下描述中，闡明很多細(xì)節(jié)以便提供該系統(tǒng)的更全面的描述。然而，對(duì)本領(lǐng)技術(shù)人員而言顯而易見的是沒有這些具體細(xì)節(jié)也可實(shí)施公開的系統(tǒng)。在其他例子中，對(duì)廣泛已知的特征沒有進(jìn)行詳細(xì)描述，以便不會(huì)不必要地使該系統(tǒng)模糊。本發(fā)明為利用通過鋅金屬(Zn)和過氧化鋅(ZnO2)的氧化和反應(yīng)性結(jié)合產(chǎn)生的透明的傳導(dǎo)氧化鋅(ZnO)結(jié)合層狀材料的處理系統(tǒng)和方法，產(chǎn)生由層狀材料和氧化鋅形成的結(jié)合的結(jié)構(gòu)。圖1顯示了提出的第一結(jié)構(gòu)10和第二結(jié)構(gòu)20之間的混合的氧化鋅結(jié)合方法的示意性圖解。在圖解的實(shí)施方式中，提供的第一和第二結(jié)構(gòu)10,20為第一和第二晶片10,20。在其他實(shí)施方式中，第一和第二結(jié)構(gòu)可包括層狀單元中的具體器件或手柄(handle)之一或兩者。在進(jìn)一步的實(shí)施方式中，結(jié)構(gòu)之一或兩者可為光電的和/或包括太陽(yáng)能電池。第一和第二晶片10,20可包括材料諸如硅、結(jié)晶硅酸鹽、砷化鎵、磷化銦、磷化鎵、鋁砷化鎵和銦砷化鎵。因?yàn)檫^氧化鋅層被沉積在第一和第二晶片10,20上，如以下更詳細(xì)地討論的，形成第一和第二晶片10,20的材料的相容性不太有效，因?yàn)檫@些材料在結(jié)合過程期間可能不必須彼此接觸。如此，具有更大的靈活性以包括第一和第二晶片10,20中的更多種材料。為了進(jìn)一步描述結(jié)合過程，包含過氧化鋅的材料被沉積在第一和第二晶片10,20上，形成過氧化鋅層30，如圖解的實(shí)施方式所示。過氧化鋅層30可為透明的和/或傳導(dǎo)的。在可選實(shí)施方式中，過氧化鋅層30僅被沉積在第一和第二晶片10,20之一上。過氧化鋅層30可在大氣壓力下被沉積并且因此不必要求真空系統(tǒng)或其他壓力改變系統(tǒng)，如其他晶片結(jié)合應(yīng)用一樣。同樣，過氧化鋅層30可利用等離子體增強(qiáng)工具或在本領(lǐng)域中通常使用的其他工具進(jìn)行沉積。在施加過氧化鋅層30之后，鋅金屬層40隨后形成在第一和第二晶片10,20之一或兩者上。在圖解的實(shí)施方式中，鋅金屬層40沉積在第一和第二晶片10,20兩者上的過氧化鋅層30的上方。在可選實(shí)施方式中，鋅金屬層40可沉積在不具有沉積在其上的過氧化鋅層30的第一和第二晶片10,20之一的上方。鋅金屬層40可具有10-100納米(nm)或更厚的范圍內(nèi)的厚度。如過氧化鋅層30一樣，鋅金屬層40可在大氣壓力下利用等離子體增強(qiáng)工具或在本領(lǐng)域中通常使用的其他工具進(jìn)行沉積。在鋅金屬層40被沉積在第一和/或第二晶片10,20上后，引發(fā)鋅金屬與氧的結(jié)合過程，即鋅金屬的氧化。為了進(jìn)行反應(yīng)，施加壓力以將第一和第二晶片10,20壓在一起。因此，過氧化鋅和鋅金屬層30,40被壓在一起。所施加的壓力量可在大約5至80psi的范圍內(nèi)并且可以與主體材料10,20可承受的壓力量一樣高。除了施加壓力至第一和第二晶片10,20，第一和第二晶片10,20被暴露于大約100-400℃范圍內(nèi)的溫度。溫度應(yīng)該處于足以產(chǎn)生軟化鋅金屬的水平?？紤]其他晶片生產(chǎn)方法，這可被認(rèn)為是低溫度范圍，盡管可施加更高的溫度。然而，該方法利用低溫度，在該溫度下可發(fā)生鋅金屬的熔化和結(jié)合，以便結(jié)合過程可在比與其他材料相關(guān)的溫度低的溫度下進(jìn)行。在如此較低的溫度范圍進(jìn)行該過程的能力降低了結(jié)合材料中的熱應(yīng)力以及與該過程相關(guān)的能量。熱和壓力的應(yīng)用可發(fā)生在大約30分鐘至3小時(shí)的時(shí)間范圍內(nèi)或無(wú)論多久都是必要的，以實(shí)現(xiàn)期望的效果。隨著熱和壓力被施加至第一和第二晶片10,20，額外的氧氣也可在第一和第二晶片10,20周圍分布，以促進(jìn)鋅金屬的進(jìn)一步氧化。所描述的熱和壓力的應(yīng)用產(chǎn)生以下示出的反應(yīng)：(1)2Zn+2O→2ZnO(2)2ZnO2→2ZnO+2O(3)Zn+ZnO2→2ZnO具體地，在氧的存在下對(duì)鋅金屬層40施加熱和壓力引起鋅金屬熔化并且進(jìn)一步產(chǎn)生鋅金屬的熱氧化以形成氧化鋅，如方程式(1)中所見。氧化速率可由來自過氧化鋅層30中的熱致ZnO2-至-ZnO轉(zhuǎn)化反應(yīng)的氧種類產(chǎn)生提高，如方程式(2)中所見。鋅和氧的基于熱動(dòng)力學(xué)的二元相圖(未示出)也在描述的溫度下支持ZnO2-至-ZnO轉(zhuǎn)化反應(yīng)。來自反應(yīng)(1)和(2)的最終結(jié)果為氧化鋅結(jié)合，如方程式(3)中所示?？蛇M(jìn)行氧化鋅結(jié)合過程，直到大部分或全部的過氧化鋅已經(jīng)經(jīng)歷產(chǎn)生氧化鋅的反應(yīng)。剩余的過氧化鋅的量可按優(yōu)選的減少或消除，這取決于第一和第二晶片10,20的應(yīng)用和功能。為了證實(shí)氧化鋅結(jié)合已經(jīng)發(fā)生的程度，第一和第二晶片10,20之間的氧化鋅的量可由本領(lǐng)域已知的檢測(cè)方法確定，諸如x-射線衍射和次級(jí)離子質(zhì)譜法。也可在特定波長(zhǎng)下測(cè)試氧化鋅的電阻和光學(xué)透明度，與氧化鋅的已知參數(shù)比較。氧化鋅結(jié)合過程因此產(chǎn)生氧化鋅層50，其隨后將第一和第二晶片10,20結(jié)合在一起，形成整體的層狀結(jié)合的結(jié)構(gòu)60。請(qǐng)注意Zn金屬膜的完全氧化可能在不要求高光學(xué)透明度的應(yīng)用中不是必需的。過程的概括視圖在圖2中示出。首先開始該過程(步驟100)，并且提供和第一結(jié)構(gòu)10和第二結(jié)構(gòu)20(步驟110)。過氧化鋅層30形成在第一和第二結(jié)構(gòu)10,20中的至少一個(gè)上(步驟120)。鋅金屬層40隨后形成在第一和第二結(jié)構(gòu)10,20中的至少一個(gè)上(步驟130)。第一和第二結(jié)構(gòu)10,20隨后在壓力和熱下進(jìn)行接觸和處理，以產(chǎn)生鋅金屬的氧化(步驟140)。氧化鋅層50隨后形成在第一和第二結(jié)構(gòu)10,20之間，其將第一和第二結(jié)構(gòu)10,20結(jié)合在一起(步驟150)。過程可隨后終止(步驟160)。顯而易見地，氧化鋅轉(zhuǎn)化的該結(jié)合方法放寬了其他類型的結(jié)合所要求的表面粗糙度要求。具體地，其他類型的結(jié)合步驟，諸如直接晶片結(jié)合——其中沒有另外的材料在晶片上分層——要求結(jié)合表面非常平滑，具有最小的表面不規(guī)則度。這可能要求用于處理結(jié)合表面以通過在結(jié)合過程前的化學(xué)機(jī)械拋光和/或其他表面處理步驟來實(shí)現(xiàn)期望的表面不規(guī)則度降低的顯著量的生產(chǎn)時(shí)間。該結(jié)合過程也可提供高產(chǎn)量。具體地，透明的傳導(dǎo)氧化鋅結(jié)合材料，包括過氧化鋅，粘附至很多不同的材料，允許多種材料組合用于結(jié)合。進(jìn)一步地，結(jié)合的氧化鋅提供增加的機(jī)械強(qiáng)度與降低的電阻。氧化鋅也提供了在某些波長(zhǎng)處的光學(xué)透明度。具體地，可利用本結(jié)合過程的一個(gè)領(lǐng)域?yàn)樘?yáng)能電池技術(shù)或半導(dǎo)體結(jié)合技術(shù)，其已經(jīng)生產(chǎn)具有高空間電池效率的太陽(yáng)能電池。在該技術(shù)中，高電池效率顯著取決于基于砷化鎵的太陽(yáng)能電池和基于磷化銦的太陽(yáng)能電池的結(jié)合質(zhì)量。因?yàn)楸具^程降低了在其他過程中固有的對(duì)表面制備和材料相容性的要求，可以以額外的自由度、更多種的材料和更高的效率產(chǎn)生半導(dǎo)體結(jié)合的太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)。例如，在光電模塊的水平上，太陽(yáng)能電池可被結(jié)合至金屬或陶瓷或輕質(zhì)手柄。另外，適應(yīng)多種其他太陽(yáng)能電池材料，諸如結(jié)晶硅酸鹽、銅銦硒化物和銦鎵氮化物的能力允許高效太陽(yáng)能電池設(shè)計(jì)的降低的材料和整合成本。描述的結(jié)合過程也可用于要求透明的傳導(dǎo)結(jié)合的任何其他技術(shù)。盡管本文已經(jīng)公開了某些說明性實(shí)施方式和方法，但對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，從前述公開可顯而易見的是可產(chǎn)生這樣的實(shí)施方式和方法的變形和更改，而不脫離公開的技術(shù)的真實(shí)精神和范圍。存在公開的技術(shù)的很多其他實(shí)施例，其僅細(xì)節(jié)上相互差異。因此，期望公開的技術(shù)應(yīng)僅限于由所附權(quán)利要求和適用法律的規(guī)定和準(zhǔn)則要求的范圍。