專利名稱：一種提高鍵合晶體鍵合力和光學(xué)特性的鍵合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種提高鍵合晶體鍵合力和光學(xué)特性的鍵合方法，可用于制備準(zhǔn)相位匹配非線性晶體，屬于非線性光學(xué)晶體領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
晶片鍵合技術(shù)是將兩片表面清潔、原子級(jí)粗糙度的同質(zhì)或異質(zhì)材料經(jīng)表面清洗和活化處理，不使用任何粘接物質(zhì)，在一定條件下直接貼合成一體，兩片晶體通過范德華力、分子力，甚至原子力結(jié)合到一起。晶片鍵合技術(shù)有極大的優(yōu)越性，通過這種技術(shù)獲得的界面具有牢固、平滑、光學(xué)透明的優(yōu)點(diǎn)，這種界面對(duì)于光器件的創(chuàng)新具有非常重要的意義。準(zhǔn)相位匹配是近幾年發(fā)展起來的一種有效的光學(xué)非線性頻率轉(zhuǎn)換方式，準(zhǔn)相位匹配晶體內(nèi)部極化方向需要周期變化的，利用晶片鍵合可以將極化方向相反的兩個(gè)晶片鍵合在一起，達(dá)到相位匹配的目的，砷化鎵這種材料紅外波段透過率高，適合紅外波段非線性頻率變換，同時(shí)還具有損傷閾值高、非線性系數(shù)大，熱導(dǎo)率高等特點(diǎn)。早在1976年，美國洛克韋爾國際公司的Thompson等人就給出砷化鎵用于準(zhǔn)相位匹配的理論解釋，由于這種材料不是鐵電材料，無法用電極擊穿來周期極化，目前主要的方法是外延生長(zhǎng)，但是外延生長(zhǎng)的準(zhǔn)相位匹配晶體通光孔徑小，不能發(fā)揮晶體的優(yōu)勢(shì)，而用鍵合方式制備的準(zhǔn)相位匹配晶體通光孔徑大，很容易超過Icm2，然而砷化鎵晶體表面存在氧化層，不僅會(huì)降低二階非線性效應(yīng)，影響頻率轉(zhuǎn)換的效率，而且氧化物對(duì)紅外波段具有較強(qiáng)的吸收，對(duì)頻率轉(zhuǎn)化影響較大。氧化層的存在使砷化鎵準(zhǔn)相位匹配器件的效果不佳，因此用鍵合方式獲得準(zhǔn)相位匹配器件的應(yīng)用受到限制，砷化鎵擴(kuò)散鍵合的研究工作主要集中在上個(gè)世紀(jì)90年代，到目前為止這種擴(kuò)散鍵合砷化鎵晶體仍然沒有得到廣泛應(yīng)用，砷化鎵準(zhǔn)相位匹配器件主要還是采用外延生長(zhǎng)的方式獲得。為了去除氧化物，降低擴(kuò)散鍵合砷化鎵的光學(xué)損耗，人們研究發(fā)現(xiàn)，砷化鎵的氧化物在500°C的時(shí)候開始揮發(fā)，溫度大于850°C時(shí)氧化物有效揮發(fā)，(文獻(xiàn)1，Wu YS, Feigelson RS, Route RK, Zheng D, Gordon LA, Fejer MM, Byer RL. ImprovedGaAs bonding process for quasi-phase-matched second harmonic generation,Journal of the Electrochemical Society, 1998, 145(1): 366 371)。米用高溫蒸發(fā)氧化物的擴(kuò)散鍵合，蒸發(fā)過程是在預(yù)鍵合過程中進(jìn)行，導(dǎo)致晶體界面氧化物蒸發(fā)不完全，晶體邊緣透過率高于晶體中心，而且鎵與砷的氧化物含量不同，揮發(fā)導(dǎo)致表面組分失調(diào)，嚴(yán)重影響倍頻轉(zhuǎn)換效率(文獻(xiàn) 2, E. Lallier, M. Brevignon, and J. Lehoux. Efficientsecond-harmonic generation of a C02 laser with a quasi-phase-matched GaAscrystal, 1998， 23(19): 1511 1513)。本發(fā)明提出的用氫離子轟擊晶體表面的清洗方法去除表面氧化物，可以降低鍵合晶體的光學(xué)損耗，轟擊不增加表面粗糙度，預(yù)鍵合后將晶體進(jìn)行退火，使鍵合界面原子的排列發(fā)生重組，形成牢固的共價(jià)鍵網(wǎng)絡(luò)，增加鍵合力
發(fā)明內(nèi)容
·
本發(fā)明的目的在于克服目前擴(kuò)散鍵合砷化鎵晶體鍵合力小、光學(xué)損耗大的問題， 提出一種氫離子去除表面氧化物，超高真空預(yù)鍵合，高溫?zé)崽幚淼姆椒ǎ黾由榛墧U(kuò)散鍵合晶體的鍵合力，降低鍵合界面光學(xué)損耗。
一種提高鍵合晶體鍵合力和光學(xué)特性的鍵合方法，其特征在于雙面拋光的砷化鎵單晶，用化學(xué)溶劑去除表面有機(jī)物雜質(zhì)，之后用去離子水沖洗；將晶片置于真空中對(duì)表面進(jìn)行氫離子束轟擊處理，轟擊處理時(shí)的真空度小于5*10_5Pa，離子束流能量為300-500eV， 離子束流密度2-10 μ A/cm2，室溫下轟擊時(shí)間為15-25分鐘，加熱到150°C，轟擊5分鐘； 不接觸空氣移至真空度小于IiT7Pa的真空室中預(yù)鍵合，預(yù)鍵合過程中晶片整體均勻加溫到 150-200°C，晶片表面均勻施加10kg/cm2-15kg/cm2的壓力，保持1_2小時(shí)；最后將晶片置于 Ar氣環(huán)境中進(jìn)行熱處理，由室溫升溫到650_800°C,同時(shí)施加20 kg/cm2-60 kg/cm2的壓力， 保溫2-3小時(shí)，自然降溫到室溫。
用雙面拋光的砷化鎵單晶作為鍵合晶體，用化學(xué)溶劑去除表面有機(jī)物雜質(zhì)，之后經(jīng)去離子水沖洗，將晶片置于真空中對(duì)表面進(jìn)行氫離子束轟擊處理，不接觸空氣移至高真空中預(yù)鍵合，最后將晶片置于Ar氣環(huán)境中進(jìn)行熱處理。
不去除砷化鎵表面氧化物的鍵合方法，光學(xué)損耗過大，無法應(yīng)用于光學(xué)非線性頻率變換領(lǐng)域；而高溫去除氧化物的方法，會(huì)存在揮發(fā)不完全，表面組分失調(diào)的缺點(diǎn)，光學(xué)損耗大；本發(fā)明采用氫離子清洗的方法，能有效去除表面氧化物，同時(shí)不增加晶體表面粗糙度。氫離子清洗的同時(shí)還能增加表面懸掛鍵數(shù)量，有利于增加鍵合面積，提高晶體界面的結(jié)合能，預(yù)鍵合在高真空中進(jìn)行，可以避免鍵合界面氣體的殘留，預(yù)鍵合后進(jìn)行退火，退火過程能提聞晶體的鍵合力。
本發(fā)明具有實(shí)質(zhì)性的特點(diǎn)和顯著進(jìn)步，本發(fā)明所述的方法相對(duì)于目前常規(guī)擴(kuò)散鍵合方法有以下優(yōu)點(diǎn)
有效消除表面氧化物，提高鍵合晶體的光學(xué)性能；
增加了表面懸掛鍵數(shù)量，提高鍵合面積和鍵合力；
高真空中預(yù)鍵合，避免鍵合界面之間的殘留氣體問題；
退火的方法，可以提高晶體的鍵合力。


圖I是鍵合所用的超高真空氫離子清洗裝置。
圖2是未經(jīng)過氫離子清洗砷化鎵的Ga3d (A)和As3d (B)譜線光電子圖譜。
圖3是氫離子清洗后砷化鎵的Ga3d (A)和As3d (B)譜線光電子圖譜。
圖4是鍵合界面的高分辨透射電鏡圖像。
圖5是鍵合晶體截面的衍射花樣。
具體實(shí)施方式
本發(fā)明用砷化鎵單晶進(jìn)行擴(kuò)散鍵合，器件制備過程可以分為四個(gè)主要步驟。第一步需要將砷化鎵晶體進(jìn)行雙面拋光，并用化學(xué)溶劑去除表面有機(jī)物雜質(zhì)，并去離子水沖洗干凈；第二步在真空中進(jìn)行氫離子轟擊；第三步在高真空中預(yù)鍵合晶片；第四步高溫退火處理。
實(shí)施例I :晶片經(jīng)過表面拋光處理后，對(duì)晶片表面進(jìn)行化學(xué)溶液清洗，清洗所使用的溶液為四氯化碳、丙酮、乙醇、去離子水，晶片清洗后浸泡在去離子水中待進(jìn)行后續(xù)工藝，所有操作在超凈室中進(jìn)行。樣品用氮?dú)獯蹈珊螅褂贸哒婵諝潆x子清洗裝置(CN201010279377. 7，超高真空離子源晶片清洗系統(tǒng)，授權(quán)日2012-05-02)完成清洗和預(yù)鍵合過程，如圖I所示。將樣品置于樣品夾7上，并放于濺射真空室B中，待真空度達(dá)到10_5Pa時(shí)，通過氫離子源5產(chǎn)生氫離子束，開始對(duì)待清洗的樣品6進(jìn)行氫離子清洗，設(shè)置離子束流能量350eV，離子束流密度10 μ A/cm2,室溫下轟擊20 min,還原大部分氧化物,并將B室整體加溫至150°C,再轟擊5min，去除殘留氧化物，并加溫使還原產(chǎn)物蒸發(fā)。轟擊結(jié)束后，利用傳送桿8將清洗后的晶片6經(jīng)閥門4傳遞至A室，傳遞前A室的真空度需達(dá)到5*10_8 Pa，將樣品夾7與樣品6 —同固定在樣品臺(tái)2上，關(guān)閉閥門4重新抽真·空至放樣前的真空度，同時(shí)B室進(jìn)行另一晶片的清洗，清洗結(jié)束后將晶片6傳遞至A室，通過定位裝置將兩片晶片貼合在一起獲得兩層待鍵合的樣品3，恢復(fù)真空度5*10_8 Pa后，利用磁力加壓裝置I施加10 kg/cm2的壓力，將B室整體加溫至200°C，保溫I小時(shí)，完成預(yù)鍵
八
口 ο經(jīng)過預(yù)鍵合的晶片能夠較好貼合在一起，為了進(jìn)一步增加鍵合力，將晶片安裝在耐高溫夾具中，放于充滿Ar氣的熱處理爐內(nèi)，從室溫開始升溫至700V,壓力為40kg/cm2，保溫2小時(shí)，自然降溫至室溫，完成整個(gè)鍵合過程。為了檢測(cè)氫離子去除氧化物的情況，對(duì)氫離子轟擊前后表面進(jìn)行光電子能譜檢測(cè)，圖2、圖3分別為氫離子清洗前后砷化鎵的Ga3d (A)和As3d (B)譜線光電子圖譜，可以發(fā)現(xiàn)清洗后表面砷與鎵的氧化物明顯減少。用三維輪廓儀測(cè)量表面粗糙度，結(jié)果表明轟擊前樣品的方均根粗糙度為O. 37nm，轟擊后樣品的方均根粗糙度為O. 40nm，轟擊前后粗糙度均小于砷化鎵晶體的晶格常數(shù)，轟擊前后沒有使表面粗糙度明顯改變。為了檢測(cè)氫離子清洗工藝對(duì)光學(xué)性能和鍵合力的影響，對(duì)預(yù)鍵合晶片進(jìn)行了拉伸實(shí)驗(yàn)，未經(jīng)過氫離子清洗直接鍵合的晶體從鍵合面斷裂，鍵合能為O. 34J/cm2 ;經(jīng)過氫離子清洗后預(yù)鍵合的晶體，經(jīng)過拉伸實(shí)驗(yàn)晶體有50%以上的面積從晶體內(nèi)部斷裂，鍵合能為O. 55J/cm2。經(jīng)過熱處理能進(jìn)一步增加鍵合強(qiáng)度，依照實(shí)施例I預(yù)鍵合的晶片，退火后鍵合面積可達(dá)95%，拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)得鍵合能為O. 85J/cm2，接近晶體自身結(jié)合能。用紅外透射測(cè)定晶體的光學(xué)性能，鍵合層的平均光學(xué)損耗在波長(zhǎng)5. 3 μ m處為O. 3%，在波長(zhǎng)10. 6 μ m處為O. 2%。通過透射電鏡觀察鍵合界面形貌，如圖4所示，鍵合界面沒有觀察到非晶層，說明氧化物被有效去除，晶體內(nèi)部沒有出現(xiàn)位錯(cuò)，由于預(yù)鍵合過程在高真空環(huán)境中進(jìn)行，鍵合界面沒有觀察到氣泡，界面晶格排列整齊貫穿鍵合界面，對(duì)鍵合層整體進(jìn)行衍射成像，如圖5所示，衍射花樣顯示鍵合后整體為單晶結(jié)構(gòu)，說明兩層砷化鎵晶片高質(zhì)量地結(jié)合。實(shí)施例2 晶片經(jīng)過表面拋光處理后，對(duì)晶片表面進(jìn)行化學(xué)溶液清洗，清洗所使用的溶液為四氯化碳、丙酮、乙醇、去離子水，晶片清洗后浸泡在去離子水中待進(jìn)行后續(xù)工藝，所有操作在超凈室中進(jìn)打。樣品用氮?dú)獯蹈珊?，將樣品置于樣品夾7上，并放于濺射真空室B中，待真空度達(dá)到10_5Pa時(shí)，通過氫離子源5產(chǎn)生氫離子束，開始對(duì)待清洗的樣品6進(jìn)行氫離子清洗，設(shè)置離子束流能量500eV，離子束流密度5 μ A/cm2,室溫下轟擊15 min,還原大部分氧化物，并將B室整體加溫至150°C，再轟擊5 min。轟擊結(jié)束后，利用傳送桿8將清洗后的晶片6經(jīng)閥門4傳遞至A室，傳遞前A室的真空度需達(dá)到5*10_8 Pa，將樣品夾7與樣品6 —同固定在樣品臺(tái)2上，關(guān)閉閥門4重新抽真空至放樣前的真空度，同時(shí)B室進(jìn)行另一晶片的清洗，清洗結(jié)束后將晶片6傳遞至A室，通過定位裝置將兩片晶片貼合在一起獲得兩層待鍵合的樣品3，恢復(fù)真空度5*10_8 Pa后，利用磁力加壓裝置I施加10 kg/cm2的壓力，將B室整體加溫至150°C，保溫I小時(shí)，完成預(yù)鍵合。將晶片安裝在耐高溫夾具中，放于充滿Ar氣的熱處理爐內(nèi)，從室溫開始升溫至650°C，壓力為20kg/cm2，保溫2小時(shí)，自然降溫至室溫，完成鍵合過程。退火后測(cè)量鍵合面積為92%，拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)得鍵合能為O. 82J/cm2，接近晶體自身結(jié)合能。用紅外透射測(cè)定晶體的光學(xué)性能，鍵合層的平均光學(xué)損耗在波長(zhǎng)5. 3 μ m處為O. 2%，在波長(zhǎng)10. 6 μ m處為O. 1%。實(shí)施例3 晶片經(jīng)過表面拋光處理后，對(duì)晶片表面進(jìn)行化學(xué)溶液清洗，清洗所使用的溶液為四氯化碳、丙酮、乙醇、去離子水，晶片清洗后浸泡在去離子水中待進(jìn)行后續(xù)工藝，所有操作在超凈室中進(jìn)打。樣品用氮?dú)獯蹈珊?，將樣品置于樣品夾7上，并放于濺射真空室B中，待真空度達(dá)到10_5Pa時(shí)，通過氫離子源5產(chǎn)生氫離子束，開始對(duì)待清洗的樣品6進(jìn)行氫離子清洗，設(shè)置離子束流能量300eV，離子束流密度10 μ A/cm2,室溫下轟擊15 min,還原大部分氧化物，并將B室整體加溫至150°C，再轟擊5 min。轟擊結(jié)束后，利用傳送桿8將清洗后的晶片6經(jīng)閥門4傳遞至A室，傳遞前A室的真空度需達(dá)到5*10_8 Pa，將樣品夾7與樣品6 —同固定在樣品臺(tái)2上，關(guān)閉閥門4重新抽真空至放樣前的真空度，同時(shí)B室進(jìn)行另一晶片的清洗，清洗結(jié)束后將晶片6傳遞至A室，通過定位裝置將兩片晶片貼合在一起獲得兩層待鍵合的樣品3，恢復(fù)真空度5*10_8 Pa后，利用磁力加壓裝置I施加15kg/cm2的壓力，將B室整體加溫至200°C，保溫2小時(shí)，完成預(yù)鍵合。將晶片安裝在耐高溫夾具中，放于充滿Ar氣的熱處理爐內(nèi)，從室溫開始升溫至800°C，壓力為60kg/cm2，保溫3小時(shí)，自然降溫至室溫，完成鍵合過程。退火后測(cè)量鍵合面積為98%，拉伸實(shí)驗(yàn)測(cè)得鍵合能為O. 86J/cm2。用紅外透射測(cè)定晶體的光學(xué)性能，鍵合層的平均光學(xué)損耗在波長(zhǎng)5. 3 μ m處為O. 6%,在波長(zhǎng)10. 6 μ m處為
O.4%。
權(quán)利要求
1. 一種提高鍵合晶體鍵合力和光學(xué)特性的鍵合方法，其特征在于雙面拋光的砷化鎵單晶，用化學(xué)溶劑去除表面有機(jī)物雜質(zhì)，之后用去離子水沖洗；將晶片置于真空中對(duì)表面進(jìn)行氫離子束轟擊處理，轟擊處理時(shí)的真空度小于5*10_5Pa，離子束流能量為300-500eV，離子束流密度2-10 μ A/cm2，室溫下轟擊時(shí)間為15-25分鐘，加熱到150°C，轟擊5分鐘；不接觸空氣移至真空度小于IiT7Pa的真空室中預(yù)鍵合，預(yù)鍵合過程中晶片整體均勻加溫到 150-200°C，晶片表面均勻施加10kg/cm2-15kg/cm2的壓力，保持1_2小時(shí)；最后將晶片置于 Ar氣環(huán)境中進(jìn)行熱處理，由室溫升溫到650_800°C,同時(shí)施加20 kg/cm2-60 kg/cm2的壓力， 保溫2-3小時(shí)，自然降溫到室溫。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種提高鍵合晶體鍵合力和光學(xué)特性的鍵合方法，可用于制備準(zhǔn)相位匹配非線性晶體，屬于非線性光學(xué)晶體領(lǐng)域，主要解決常規(guī)鍵合獲得的準(zhǔn)相位匹配晶體光學(xué)損耗大、鍵合力小的問題，選擇了砷化鎵晶體作為鍵合材料，利用超高真空離子源清洗設(shè)備，通過溶液清洗、離子清洗、超高真空低溫鍵合、低壓熱處理等技術(shù)降低了鍵合界面的損耗、提高了鍵合晶體的鍵合力。該方法主要用于紅外波段非線性頻率變換準(zhǔn)相位匹配砷化鎵晶體的制備。
文檔編號(hào)C30B33/02GK102912449SQ201210387960
公開日2013年2月6日 申請(qǐng)日期2012年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月14日
發(fā)明者李強(qiáng), 羅旭, 王昊, 雷訇, 惠勇凌, 姜夢(mèng)華 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)