專利名稱：硅基iii-v外延材料圖形異質(zhì)鍵合均勻軸向力施力裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光子光電子器件、芯片制作技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種硅基III-V外延材料圖形異質(zhì)鍵合均勻軸向力施力裝置，其是用于混合硅基光子、光電子有源無源器件或芯片的制作，適于光子光電子集成應(yīng)用。
背景技術(shù)：
硅基半導(dǎo)體是現(xiàn)代微電子產(chǎn)業(yè)的基石，但其發(fā)展已接近極限，尤其在互連方面。而光電子技術(shù)則正處在高速發(fā)展階段，現(xiàn)在的半導(dǎo)體發(fā)光器件多利用化合物材料制備，與硅微電子工藝不兼容，因此，將光子技術(shù)和微電子技術(shù)集合起來，發(fā)展娃基光電子科學(xué)和技術(shù)
意義重大。III-V(如GaAs，InP等)族材料和硅的混合集成是一種目前被認(rèn)為最有應(yīng)用前景的適于高密度集成的光子或光電子芯片技術(shù)。通常采取帶有波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的SOI材料(Si/Si02/Si襯底)與III-V外延材料通過有機(jī)材料或鍵合方法粘合，去掉III-V襯底，然后再進(jìn)行光子或光電子器件、光路的加工，光波是通過倏逝場(chǎng)耦合進(jìn)入下層的SOI波導(dǎo)的，電注入采用共面電極在III-V材料層完成。這其中鍵合技術(shù)非常重要。無論是直接鍵合還是間接鍵合(如利用有機(jī)材料粘合)，都需要有均勻的施力裝置。一般的做法是，將要鍵合的兩塊晶片做各種清洗處理，在對(duì)鍵合面進(jìn)行共價(jià)鍵激活，形成懸掛鍵，然后貼合在一起，放入爐中，施加均勻壓力，形成真空環(huán)境，做預(yù)鍵合和退火處理。在實(shí)踐過程中，機(jī)械加工精度、晶片本身平行度等都會(huì)對(duì)施力均勻性產(chǎn)生影響。直接鍵合對(duì)施力系統(tǒng)要求極高，受力不均勻會(huì)導(dǎo)致鍵合晶片內(nèi)部產(chǎn)生空隙，紅外透射下牛頓環(huán)明顯，不能再進(jìn)行下一步器件制作。以往采取一對(duì)平行平面對(duì)晶片施力。會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)問題一是施力系統(tǒng)即使絕對(duì)平行，但晶片如果平行度有偏差，受力就會(huì)不均勻。二是上下兩個(gè)晶片在施力過程中會(huì)發(fā)生晶向偏移，更嚴(yán)重的是非常容易碎片。為此本專利申請(qǐng)?zhí)岢鲆环N自適應(yīng)施力裝置以用來解決這些問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種硅基III-V外延材料圖形異質(zhì)鍵合均勻軸向力施力裝置，該裝置適于硅基-III-V外延材料圖形異質(zhì)鍵合，不但施力均勻，還可以根據(jù)晶片平行度進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，另外中間的保護(hù)陪片可增強(qiáng)施力強(qiáng)度，獲得更好的鍵合質(zhì)量。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種硅基III-V外延材料圖形異質(zhì)鍵合均勻軸向力施力裝置，包括一下施力蓋板，該下施力蓋板為圓片狀；一下承接托，該下承接托為圓片狀，其上面均勻分布有多個(gè)圓孔，其位于下施力蓋板之上；一上施力托，該上施力托為圓片狀，其上面均勻分布有多個(gè)圓孔，其位于下承接托之上；
其中在下承接托和上施力托之間通過多個(gè)定向圓柱插置連接，在下承接托和上施カ托之間還有兩個(gè)保護(hù)陪片，該兩個(gè)保護(hù)陪片上下疊置；一平凸透鏡，其位于上施力托之上；一上施カ蓋板，該上施カ蓋板為圓片狀，其位于平凸透鏡之上。從上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果I)本發(fā)明施カ系統(tǒng)可承受高溫環(huán)境，預(yù)計(jì)80 0攝氏度以上，且可承受高壓，完全可以勝任其他的高溫高壓鍵合需要。2)本發(fā)明提供的施力系統(tǒng)采取由點(diǎn)及面施壓方式，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)找平、軸向カ均勻分布。軸向壓力施加方法獨(dú)特，不是采用直接的加壓方式，而是加入找平部件，承力部件及保護(hù)部件等，實(shí)現(xiàn)均勻施壓。實(shí)驗(yàn)表明鍵合成功率幾乎100%。3)本發(fā)明提供精巧的晶片保護(hù)技術(shù)，材料和幾何尺寸選取，都是大量實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。目標(biāo)晶片可以給予更大的壓カ而不碎裂，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更牢固的鍵合。硅基混合激光器是光子芯片中的核心器件，在片上光互連、光交換中都有極其重要的作用，目前最重要的異質(zhì)材料實(shí)現(xiàn)技術(shù)就是鍵合，鍵合中施カ均勻性至關(guān)重要，而且還要保證足夠強(qiáng)度和準(zhǔn)確的晶向。


為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一歩詳細(xì)說明，其中圖I是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式請(qǐng)參閱圖I所示，本發(fā)明提供一種硅基III-V外延材料圖形異質(zhì)鍵合均勻軸向力施力裝置，包括一下施カ蓋板10，該下施カ蓋板10為圓片狀；下施カ蓋板10將通過可調(diào)連接部件固定于鍵合設(shè)備上端氣缸的活塞端。氣缸中通過充氣量來控制壓力大小，推動(dòng)下施カ蓋板10運(yùn)動(dòng)或?qū)崿F(xiàn)壓カ變化。下施カ蓋板10為不銹鋼材料，經(jīng)過拋光而成。與向上施カ蓋板14為ー對(duì)，特征相同。上下施力蓋板可通過調(diào)節(jié)，保證平行度。一下承接托11，該下承接托11為圓片狀，其上面均勻分布有多個(gè)圓孔(本實(shí)施例圓孔的數(shù)量為3個(gè))，其位于下施カ蓋板10之上；每個(gè)圓孔孔徑為10mm，當(dāng)數(shù)量為3時(shí)，孔中心與下承接托11中心連線互成120度角?？字行木嚯x下承接托11中軸線距離為30-40mm。該均勻分布圓孔深度為承接托11厚度1/2到3/4。該多個(gè)孔主要作用是定位。一上施カ托12，該上施カ托12為圓片狀，其上面均勻分布有多個(gè)圓孔(本實(shí)施例圓孔的數(shù)量為3個(gè))，其位于下承接托11之上；每個(gè)圓孔孔徑為10mm，當(dāng)數(shù)量為3時(shí)，孔中心與上施カ托12中心連線互成120度角。孔中心距離上施カ托12中軸線距離為30-40mm。該均勻分布圓孔穿透上施カ托12。該多個(gè)孔主要作用是定位。其中所述的下承接托11和上施カ托12的直徑為80mm，厚度為30_50mm ；其中在下承接托11和上施カ托12之間通過多個(gè)定向圓柱111插置連接。定向圓柱111為不銹鋼材質(zhì)或其他硬度較高材料制成，與上施カ托12材料相同，定向圓柱111將插于上施力托12和下承接托11上的均勻分布圓孔中，實(shí)現(xiàn)定位。定向圓柱111直徑為IOmm,高為40mm左右。要求表面拋光，并與圓孔，緊密吻合，并可自由穿入滑動(dòng)。在下承接托11和上施力托12之間還有兩個(gè)保護(hù)陪片112，該兩個(gè)保護(hù)陪片112上下疊置，所述的保護(hù)陪片112的材料為石英玻璃；保護(hù)陪片112為厚度為5_以上的兩片石英片，尺寸將根據(jù)所鍵合晶片的大小不同而不同，通常鍵合晶片尺寸為IOmmX 10mm，則保護(hù)陪片尺寸約為12mmX12mm。保護(hù)陪片要求有鏡面級(jí)平坦度一平凸透鏡13，其位于上施力托12之上；平凸透鏡13為純石英材料，材料均勻一致，制作工藝與常規(guī)光學(xué)透鏡相同，平面部分所在圓直徑約為80mm，突出部分弧形半徑約為50mm，做拋光處理。目的在于使軸向壓力向下均勻施加，由點(diǎn)及面。一上施力蓋板14，該上施力蓋板14為圓片狀，其位于平凸透鏡13之上。其中所述的下施力蓋板10和上施力蓋板14的直徑為80mm，厚度為20_50mm其中所述的下施力蓋板10、下承接托11、定向圓柱111、上施力托12和上施力蓋板14的材料為不銹鋼。其中所述下施力蓋板10、下承接托11、上施力托12、上施力蓋板14與平凸透鏡13的直徑相同。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)找平、軸向力的均勻分布、目標(biāo)晶片準(zhǔn)確定位和防止碎片。利用該施力裝置在20公斤力下獲得的I厘米X I厘米硅和銦磷鍵合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在紅外透視圖中不存在牛頓環(huán)，成功率幾乎100%。而用普通裝置經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)牛頓環(huán)，在腐蝕去襯底的過程中就會(huì)分離開，導(dǎo)致鍵合失敗。本發(fā)明特點(diǎn)在于整個(gè)軸向壓力施加方法，不是采用直接的加壓方式，而是加入找平部件，承力部件及保護(hù)部件等，實(shí)現(xiàn)均勻施壓，目標(biāo)晶片可以給予更大的壓力而不碎裂，目的是實(shí)現(xiàn)更牢固的鍵合。請(qǐng)?jiān)賲㈤唸D1，本發(fā)明的使用過程為I)首先準(zhǔn)備好需要鍵合的晶片，如硅片(SOI晶片)和INP片(或其它III-V族晶片)，一般尺寸為IOmmX IOmm,對(duì)于圖形鍵合而言,娃片會(huì)SOI片上分布各種波導(dǎo)器件,屆時(shí)晶片表面出現(xiàn)局部凹陷，常規(guī)的加壓方式會(huì)對(duì)鍵合強(qiáng)度影響很大。晶片表面要經(jīng)過復(fù)雜的清洗處理和懸掛鍵激活。2)將處理好的晶片在超凈環(huán)境中貼合到一起，對(duì)準(zhǔn)晶向。放到兩個(gè)保護(hù)陪片112之間。3)將保護(hù)好的晶片放于下承接托11之上。調(diào)整好中心位置。4)將三個(gè)定位圓柱111插于下承接托11三個(gè)圓孔當(dāng)中。5)將上施力托12蓋在上述物體組合上，通過樹立起來的三個(gè)定位圓柱111，穿過上施力托12上的三個(gè)圓孔實(shí)現(xiàn)，緊密壓合。至此鍵合晶片已經(jīng)處于上下托的夾壓之中。該體系要求各中心重合。6)將平凸透鏡13放于上述包含晶片的托上，平面朝下，中心重合。7)將上述體系放于下施力蓋板10之上，中心重合。8)將上施力蓋板壓下，保持整個(gè)體系中心重合。9)使整個(gè)系統(tǒng)處于真空環(huán)境中，加均勻軸向壓力5-20公斤/平方厘米，然后進(jìn)行高溫退火。10)冷卻至室溫，撤掉壓力，取出晶片。
以上所述的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進(jìn)行了進(jìn)一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修 改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種硅基III-V外延材料圖形異質(zhì)鍵合均勻軸向力施力裝置，包括 一下施カ蓋板，該下施力蓋板為圓片狀； 一下承接托，該下承接托為圓片狀，其上面均勻分布有多個(gè)圓孔，其位于下施力蓋板之上； 一上施カ托，該上施カ托為圓片狀，其上面均勻分布有多個(gè)圓孔，其位于下承接托之上； 其中在下承接托和上施力托之間通過多個(gè)定向圓柱插置連接，在下承接托和上施カ托之間還有兩個(gè)保護(hù)陪片，該兩個(gè)保護(hù)陪片上下疊置； 一平凸透鏡，其位于上施力托之上； 一上施カ蓋板，該上施カ蓋板為圓片狀，其位于平凸透鏡之上。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的硅基III-V外延材料圖形異質(zhì)鍵合均勻軸向力施力裝置，其中上施力托上的圓孔的數(shù)量為3個(gè)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的硅基III-V外延材料圖形異質(zhì)鍵合均勻軸向力施力裝置，其中下施力蓋板和上施力蓋板的直徑為80mm,厚度為20-50mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的硅基III-V外延材料圖形異質(zhì)鍵合均勻軸向力施力裝置，其中所述的下施カ蓋板、下承接托、定向圓柱、上施力托和上施力蓋板的材料為不銹鋼。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的硅基III-V外延材料圖形異質(zhì)鍵合均勻軸向力施力裝置，其中所述的保護(hù)陪片的材料為石英玻璃。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的硅基III-V外延材料圖形異質(zhì)鍵合均勻軸向力施力裝置，其中所述的下承接托和上施カ托的直徑為80mm,厚度為30-50mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的硅基III-V外延材料圖形異質(zhì)鍵合均勻軸向力施力裝置，其中所述下施カ蓋板、下承接托、上施カ托、上施力蓋板與平凸透鏡的直徑相同。
全文摘要
一種硅基III-V外延材料圖形異質(zhì)鍵合均勻軸向力施力裝置，包括一下施力蓋板，該下施力蓋板為圓片狀；一下承接托，該下承接托為圓片狀，其上面均勻分布有多個(gè)圓孔，其位于下施力蓋板之上；一上施力托，該上施力托為圓片狀，其上面均勻分布有多個(gè)圓孔，其位于下承接托之上；其中在下承接托和上施力托之間通過多個(gè)定向圓柱插置連接，在下承接托和上施力托之間還有兩個(gè)保護(hù)陪片，該兩個(gè)保護(hù)陪片上下疊置；一平凸透鏡，其位于上施力托之上；一上施力蓋板，該上施力蓋板為圓片狀，其位于平凸透鏡之上。本發(fā)明特點(diǎn)在于整個(gè)軸向壓力施加方法，不是采用直接的加壓方式，而是加入找平部件，承力部件及保護(hù)部件等，實(shí)現(xiàn)均勻施壓，目標(biāo)晶片可以給予更大的壓力而不碎裂，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)更牢固的鍵合。
文檔編號(hào)H01L21/18GK102646620SQ201210139758
公開日2012年8月22日 申請(qǐng)日期2012年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月8日
發(fā)明者張冶金, 渠紅偉, 鄭婉華 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所