[發(fā)明專利]一種利用先真空紫外光再氮等離子體兩步活化直接鍵合鈮酸鋰和硅晶片的方法

有效

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• 申請日: 2018-08-30
• 公開（公告）號: CN109166793B
• 公開（公告）日: 2021-11-09
• 發(fā)明（設計）人: 王晨曦;許繼開;方慧;周詩承;田艷紅
• 申請（專利權(quán)）人: 哈爾濱工業(yè)大學
• 主分類號: H01L21/18
• 分類號: H01L21/18;H01L21/268
• 代理公司: 哈爾濱龍科專利代理有限公司 23206
• 代理人: 高媛

一種利用先真空紫外光再氮等離子體兩步活化直接鍵合鈮酸鋰和硅晶片的方法，屬于晶圓鍵合技術(shù)領(lǐng)域。所述方法如下：將待鍵合的鈮酸鋰晶片和硅晶片置于真空紫外光光源下，在20~80%的濕度條件下活化；將真空紫外光活化后的晶片置于N₂等離子體下，在10~80 Pa的壓強下活化；將經(jīng)兩步活化后的晶片在室溫下相互貼合，并將貼合后的晶片置于大氣環(huán)境下存儲；將存儲后的晶片置于100~180°C的溫度條件下保溫，即完成鈮酸鋰和硅的直接鍵合。本發(fā)明的優(yōu)點是：無需化學試劑對待鍵合晶片表面進行清洗，鍵合工藝簡單，鍵合流程少；在低溫下即可實現(xiàn)二者之間穩(wěn)定可靠的高強度的直接鍵合，避免因二者之間巨大的熱膨脹系數(shù)差異而使得鍵合界面開裂以及鍵合材料斷裂現(xiàn)象的發(fā)生。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于晶圓鍵合技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種利用先真空紫外光再氮等離子體兩步活化直接鍵合鈮酸鋰和硅晶片的方法。

背景技術(shù)

隨著通訊技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對于信息的獲取、傳輸和處理的速度要求也是越來越快。因此，也就促使著通訊技術(shù)由電子通訊向光通訊開始不斷地發(fā)展。而在光通訊系統(tǒng)中，承擔著信息傳遞的器件被稱為光波導器件，其通常由襯底層、介質(zhì)層和覆蓋層（通常為空氣）所組成。介質(zhì)層的折射率越大，其對光波的束縛就越大，相應地光波導器件的性能也會越優(yōu)異。鈮酸鋰是一種集壓電、非線性光學和光折變等性能于一體的鐵電材料。由于其全波段均具有良好的透光性能，并且折射率較大（n=2.20），因此，被認為是光波導介質(zhì)層重要的候選材料之一。硅由于具有加工工藝成熟、成本低以及機械強度高等特點，是電子集成電路和光電集成系統(tǒng)的主流襯底材料。所以，鈮酸鋰和硅的鍵合對于光波導器件性能的提升以及光電集成系統(tǒng)的發(fā)展具有重要的研究意義。

然而，目前鈮酸鋰和硅的鍵合主要采用Au、Ag或者有機固化膠等材料作為中間層來實現(xiàn)兩者之間的鍵合。當Au層或Ag層作為中間層時，由于其材料昂貴，會使得其鍵合成本增加。當采用有機固化膠作為中間層時，由于其老化問題嚴重會使得器件的可靠性大大降低。此外，由于中間層的存在，不僅鍵合工藝流程復雜，并且在一定程度上嚴重地限制了器件小型化的發(fā)展。因此，鈮酸鋰和硅之間的無中間層直接鍵合是十分必要的。但是，由于鈮酸鋰和硅之間的熱膨脹系數(shù)（鈮酸鋰的熱膨脹系數(shù)是7.5~14.4×10^-6/K，硅的熱膨脹系數(shù)是2.5×10^-6/K）和晶格常數(shù)（鈮酸鋰的a軸的晶格常數(shù)是0.5147 nm，c軸的晶格常數(shù)是1.3856nm，硅的晶格常數(shù)是0.5431 nm）差異巨大，并且鈮酸鋰的晶體結(jié)構(gòu)是極其穩(wěn)定的三方晶系。因此，現(xiàn)有的鈮酸鋰與硅晶片之間的直接鍵合方法（例如：等離子體活化法直接鍵合、濕法活化直接鍵合等）無法實現(xiàn)二者之間高強度的直接連接（ 2 MPa），鍵合后的樣品通常無法承受后續(xù)機械加工帶來的機械應力和熱應力。綜上所述，為了更好地推動光波導器件、光電集成系統(tǒng)以及器件小型化的發(fā)展，一種能夠?qū)崿F(xiàn)鈮酸鋰和硅晶片高強度直接鍵合的方法亟待開發(fā)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是為了解決目前無法對鈮酸鋰和硅晶片實現(xiàn)直接鍵合的問題，提供一種先真空紫外光再氮等離子體兩步活化直接鍵合鈮酸鋰和硅晶片的方法，該方法能夠?qū)崿F(xiàn)鈮酸鋰和硅晶片之間的高強度穩(wěn)定連接。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下：

一種利用先真空紫外光再氮等離子體兩步活化直接鍵合鈮酸鋰和硅晶片的方法，所述方法具體步驟如下：

步驟一：將待鍵合的鈮酸鋰晶片和硅晶片置于真空紫外光光源下1~5 mm距離處，在20~80%的濕度條件下活化；

步驟二：將真空紫外光活化后的鈮酸鋰晶片和硅晶片置于N₂等離子體下，在10~80Pa的壓強下，以100~300 W的功率活化；

步驟三：將經(jīng)兩步活化后的鈮酸鋰晶片和硅晶片在室溫下相互貼合，并將貼合后的晶片置于大氣環(huán)境下存儲；

步驟四：將存儲后的晶片置于100~180 °C的溫度條件下保溫5~36 h，即完成鈮酸鋰和硅的直接鍵合。