CN102646620B - 硅基iii-v外延材料图形异质键合均匀轴向力施力装置 - Google Patents

Abstract

一种硅基III-V外延材料图形异质键合均匀轴向力施力装置，包括：一下施力盖板，该下施力盖板为圆片状；一下承接托，该下承接托为圆片状，其上面均匀分布有多个圆孔，其位于下施力盖板之上；一上施力托，该上施力托为圆片状，其上面均匀分布有多个圆孔，其位于下承接托之上；其中在下承接托和上施力托之间通过多个定向圆柱插置连接，在下承接托和上施力托之间还有两个保护陪片，该两个保护陪片上下叠置；一平凸透镜，其位于上施力托之上；一上施力盖板，该上施力盖板为圆片状，其位于平凸透镜之上。本发明特点在于整个轴向压力施加方法，不是采用直接的加压方式，而是加入找平部件，承力部件及保护部件等，实现均匀施压，目标晶片可以给予更大的压力而不碎裂，进而实现更牢固的键合。

Description

硅基III-V外延材料图形异质键合均匀轴向力施力装置

技术领域

本发明涉及光子光电子器件、芯片制作技术领域，尤其涉及一种硅基III-V外延材料图形异质键合均匀轴向力施力装置，其是用于混合硅基光子、光电子有源无源器件或芯片的制作，适于光子光电子集成应用。

背景技术

硅基半导体是现代微电子产业的基石，但其发展已接近极限，尤其在互连方面。而光电子技术则正处在高速发展阶段，现在的半导体发光器件多利用化合物材料制备，与硅微电子工艺不兼容，因此，将光子技术和微电子技术集合起来，发展硅基光电子科学和技术意义重大。

III-V(如GaAs，InP等)族材料和硅的混合集成是一种目前被认为最有应用前景的适于高密度集成的光子或光电子芯片技术。通常采取带有波导结构的SOI材料(Si/SiO₂/Si衬底)与III-V外延材料通过有机材料或键合方法粘合，去掉III-V衬底，然后再进行光子或光电子器件、光路的加工，光波是通过倏逝场耦合进入下层的SOI波导的，电注入采用共面电极在III-V材料层完成。这其中键合技术非常重要。无论是直接键合还是间接键合(如利用有机材料粘合)，都需要有均匀的施力装置。一般的做法是，将要键合的两块晶片做各种清洗处理，在对键合面进行共价键激活，形成悬挂键，然后贴合在一起，放入炉中，施加均匀压力，形成真空环境，做预键合和退火处理。在实践过程中，机械加工精度、晶片本身平行度等都会对施力均匀性产生影响。直接键合对施力系统要求极高，受力不均匀会导致键合晶片内部产生空隙，红外透射下牛顿环明显，不能再进行下一步器件制作。

以往采取一对平行平面对晶片施力。会导致两个问题：一是施力系统即使绝对平行，但晶片如果平行度有偏差，受力就会不均匀。二是上下两个晶片在施力过程中会发生晶向偏移，更严重的是非常容易碎片。为此本专利申请提出一种自适应施力装置以用来解决这些问题。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种硅基III-V外延材料图形异质键合均匀轴向力施力装置，该装置适于硅基-III-V外延材料图形异质键合，不但施力均匀，还可以根据晶片平行度进行自适应调整，另外中间的保护陪片可增强施力强度，获得更好的键合质量。

为达到上述目的，本发明提供了一种硅基III-V外延材料图形异质键合均匀轴向力施力装置，包括：

一下施力盖板，该下施力盖板为圆片状；

一下承接托，该下承接托为圆片状，其上面均匀分布有多个圆孔，其位于下施力盖板之上；

一上施力托，该上施力托为圆片状，其上面均匀分布有多个圆孔，其位于下承接托之上；

其中在下承接托和上施力托之间通过多个定向圆柱插置连接，在下承接托和上施力托之间还有两个保护陪片，该两个保护陪片上下叠置；

一平凸透镜，其位于上施力托之上；

一上施力盖板，该上施力盖板为圆片状，其位于平凸透镜之上。

从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：

1)本发明施力系统可承受高温环境，预计800摄氏度以上，且可承受高压，完全可以胜任其他的高温高压键合需要。

2)本发明提供的施力系统采取由点及面施压方式，能够实现自动找平、轴向力均匀分布。轴向压力施加方法独特，不是采用直接的加压方式，而是加入找平部件，承力部件及保护部件等，实现均匀施压。实验表明键合成功率几乎100％。

3)本发明提供精巧的晶片保护技术，材料和几何尺寸选取，都是大量实验的结果。目标晶片可以给予更大的压力而不碎裂，进而实现更牢固的键合。

硅基混合激光器是光子芯片中的核心器件，在片上光互连、光交换中都有极其重要的作用，目前最重要的异质材料实现技术就是键合，键合中施力均匀性至关重要，而且还要保证足够强度和准确的晶向。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明，其中：

图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

请参阅图1所示，本发明提供一种硅基III-V外延材料图形异质键合均匀轴向力施力装置，包括：

一下施力盖板10，该下施力盖板10为圆片状；下施力盖板10将通过可调连接部件固定于键合设备上端气缸的活塞端。气缸中通过充气量来控制压力大小，推动下施力盖板10运动或实现压力变化。下施力盖板10为不锈钢材料，经过抛光而成。与向上施力盖板14为一对，特征相同。上下施力盖板可通过调节，保证平行度。

一下承接托11，该下承接托11为圆片状，其上面均匀分布有多个圆孔(本实施例圆孔的数量为3个)，其位于下施力盖板10之上；每个圆孔孔径为10mm，当数量为3时，孔中心与下承接托11中心连线互成120度角。孔中心距离下承接托11中轴线距离为30-40mm。该均匀分布圆孔深度为承接托11厚度1/2到3/4。该多个孔主要作用是定位。

一上施力托12，该上施力托12为圆片状，其上面均匀分布有多个圆孔(本实施例圆孔的数量为3个)，其位于下承接托11之上；每个圆孔孔径为10mm，当数量为3时，孔中心与上施力托12中心连线互成120度角。孔中心距离上施力托12中轴线距离为30-40mm。该均匀分布圆孔穿透上施力托12。该多个孔主要作用是定位。

其中所述的下承接托11和上施力托12的直径为80mm，厚度为30-50mm；

其中在下承接托11和上施力托12之间通过多个定向圆柱111插置连接。定向圆柱111为不锈钢材质或其他硬度较高材料制成，与上施力托12材料相同，定向圆柱111将插于上施力托12和下承接托11上的均匀分布圆孔中，实现定位。定向圆柱111直径为10mm，高为40mm左右。要求表面抛光，并与圆孔，紧密吻合，并可自由穿入滑动。

在下承接托11和上施力托12之间还有两个保护陪片112，该两个保护陪片112上下叠置，所述的保护陪片112的材料为石英玻璃；保护陪片112为厚度为5mm以上的两片石英片，尺寸将根据所键合晶片的大小不同而不同，通常键合晶片尺寸为10mm×10mm，则保护陪片尺寸约为12mm×12mm。保护陪片要求有镜面级平坦度。

一平凸透镜13，其位于上施力托12之上；平凸透镜13为纯石英材料，材料均匀一致，制作工艺与常规光学透镜相同，平面部分所在圆直径约为80mm，突出部分弧形半径约为50mm，做抛光处理。目的在于使轴向压力向下均匀施加，由点及面。

一上施力盖板14，该上施力盖板14为圆片状，其位于平凸透镜13之上。

其中所述的下施力盖板10和上施力盖板14的直径为80mm，厚度为20-50mm

其中所述的下施力盖板10、下承接托11、定向圆柱111、上施力托12和上施力盖板14的材料为不锈钢。

其中所述下施力盖板10、下承接托11、上施力托12、上施力盖板14与平凸透镜13的直径相同。

实现自动找平、轴向力的均匀分布、目标晶片准确定位和防止碎片。利用该施力装置在20公斤力下获得的1厘米×1厘米硅和铟磷键合实验结果，在红外透视图中不存在牛顿环，成功率几乎100％。而用普通装置经常会出现牛顿环，在腐蚀去衬底的过程中就会分离开，导致键合失败。本发明特点在于整个轴向压力施加方法，不是采用直接的加压方式，而是加入找平部件，承力部件及保护部件等，实现均匀施压，目标晶片可以给予更大的压力而不碎裂，目的是实现更牢固的键合。

请再参阅图1，本发明的使用过程为：

1)首先准备好需要键合的晶片，如硅片(SOI晶片)和INP片(或其它III-V族晶片)，一般尺寸为10mm×10mm，对于图形键合而言，硅片会SOI片上分布各种波导器件，届时晶片表面出现局部凹陷，常规的加压方式会对键合强度影响很大。晶片表面要经过复杂的清洗处理和悬挂键激活。

2)将处理好的晶片在超净环境中贴合到一起，对准晶向。放到两个保护陪片112之间。

3)将保护好的晶片放于下承接托11之上。调整好中心位置。

4)将三个定位圆柱111插于下承接托11三个圆孔当中。

5)将上施力托12盖在上述物体组合上，通过树立起来的三个定位圆柱111，穿过上施力托12上的三个圆孔实现，紧密压合。至此键合晶片已经处于上下托的夹压之中。该体系要求各中心重合。

6)将平凸透镜13放于上述包含晶片的托上，平面朝下，中心重合。

7)将上述体系放于下施力盖板10之上，中心重合。

8)将上施力盖板压下，保持整个体系中心重合。

9)使整个系统处于真空环境中，加均匀轴向压力5-20公斤/平方厘米，然后进行高温退火。

10)冷却至室温，撤掉压力，取出晶片。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种硅基III-V外延材料图形异质键合均匀轴向力施力装置，包括：

一下施力盖板，该下施力盖板为圆片状；

一下承接托，该下承接托为圆片状，其上面均匀分布有3个圆孔，其位于下施力盖板之上；

一上施力托，该上施力托为圆片状，其上面均匀分布有3个圆孔，其位于下承接托之上；

其中在下承接托和上施力托之间通过多个定向圆柱插置连接，在下承接托和上施力托之间还有两个保护陪片，该两个保护陪片上下叠置；

一平凸透镜，其位于上施力托之上；

一上施力盖板，该上施力盖板为圆片状，其位于平凸透镜之上；

其中下施力盖板和上施力盖板的直径为80mm，厚度为20-50mm；

其中所述的下施力盖板、下承接托、定向圆柱、上施力托和上施力盖板的材料为不锈钢。

2.根据权利要求1所述的硅基III-V外延材料图形异质键合均匀轴向力施力装置，其中所述的保护陪片的材料为石英玻璃。

3.根据权利要求1所述的硅基III-V外延材料图形异质键合均匀轴向力施力装置，其中所述的下承接托和上施力托的直径为80mm，厚度为30-50mm。

4.根据权利要求1所述的硅基III-V外延材料图形异质键合均匀轴向力施力装置，其中所述下施力盖板、下承接托、上施力托、上施力盖板与平凸透镜的直径相同。