CN103426725B - 由锌金属和过氧化锌的反应性结合形成的层状结合的结构 - Google Patents
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Abstract
本发明名称为“由锌金属和过氧化锌的反应性结合形成的层状结合的结构”。本文公开了用于由锌金属和过氧化锌之间的反应性结合形成的层状结合的结构的系统、方法和装置。具体地，本公开教导了层状结合的结构，其中两个结构用包括氧化锌的层结合在一起。氧化锌通过以下方法形成：该方法包括通过在压力下使结构接触和施加热至该结构处理两个结构以促进在两个结构之一或两者上的用过氧化锌和锌金属的反应。
Description
背景技术
本发明涉及利用过氧化锌和锌金属的反应性结合形成氧化锌的结合材料。
发明内容
根据本公开的一个方面，提供了用于由锌金属和过氧化锌之间的反应性结合形成的层状结合的结构的方法、系统和装置。在一个或多个实施方式中，本公开教导了形成结合的层状结构的方法，该方法包括提供第一结构和第二结构，利用第一和第二结构中的一个或多个上的锌金属和过氧化锌形成层，处理第一和第二结构以引起锌金属的氧化，和利用第一和第二结构之间的氧化锌形成另一层。在至少一个实施方式中，氧化锌由锌金属的氧化和过氧化锌的脱氧形成。在进一步的实施方式中，氧化产生自过氧化锌提供的氧，以及来自环境条件的氧。
有利地，处理接触的层包括在大约100-400℃的温度范围内施加热至接触的层。
有利地，处理接触的层包括施加大约5至80psi范围内的压力。
有利地，氧化锌由锌金属的氧化形成。
优选地，氧化锌由过氧化锌的热致转化反应形成。
有利地，氧化产生自过氧化锌提供的氧。优选地，氧化产生自提供给接触的层的氧气。
有利地，第一和第二结构中的至少一个包括晶片。
有利地，第一和第二结构中的至少一个包括半导体。
可选地，第一和第二结构中的至少一个包括太阳能电池。
可选地，第一和第二结构中的至少一个包括砷化镓。
根据本公开的进一步方面，提供了包括第一结构和第二结构的结合的层状结构和包括第一和第二结构之间的氧化锌的层，其中氧化锌由第一和第二结构中的至少一个上的锌金属的氧化形成。在至少一个实施方式中，氧化锌由第一和第二结构中的至少一个上的过氧化锌的脱氧形成。
有利地，氧化锌由将第一和第二结构暴露于大约100-400℃范围内的温度形成。
有利地，氧化锌由通过施加大约5至80psi范围内的压力使第一和第二结构接触形成。
有利地，氧化锌由第一和第二结构中的至少一个上的过氧化锌形成。
有利地，氧化锌由提供给第一和第二结构的氧气形成。
有利地，第一和第二结构中的至少一个包括晶片。
有利地，第一和第二结构中的至少一个包括半导体。
有利地，第一和第二结构中的至少一个包括太阳能电池。
有利地，第一和第二结构中的至少一个包括砷化镓。
特征、功能和优点可在本发明的各种实施方式中单独地实现或可在仍其他实施方式中结合。
附图说明
本公开的这些和其他特征、方面和优点将相对于以下的描述、所附权利要求和附图变得更好理解，其中：
图1显示了在两种结构之间形成层状结合的结构的结合过程的图解；和
图2显示了形成层状结合的结构的方法。
发明详述
本文公开的方法和装置提供了应用中用于结合层状结构的系统，特别是利用诸如在半导体和其他材料诸如层状陶瓷、层状金属、层状复合材料中的层状晶片的应用。具体地，通过形成将结构结合在一起的氧化锌层，该系统提供了层状结构之间的结合。
氧化锌产生自发生在锌金属和过氧化锌之间的反应，其中锌金属和过氧化锌提供在结构上的层中。
某些处理技术要求利用层之间的高透明度和高传导介质诸如氧化锌来结合层状材料。在先前的方法中，结合过程利用了材料诸如：1)薄金属界面层；2)薄聚合物膜；3)具有直接氧化物结合机制的透明的传导氧化物；4)重掺杂III-V界面层；和5)透明的碳纳米管膜。然而，利用这些材料的方法显示了各种限制。例如，所述层不得不高度抛光或要求高水平的能量用于处理。
为了帮助使将层结合在一起的这种限制最小化，本方法利用锌的低熔化温度引发锌金属中的氧结合并将锌金属转化为氧化锌。氧化锌形成所需的氧来自过氧化锌和，如有需要，添加的氧气。锌金属的使用允许在结合前主体层状材料的表面形貌的灵活性和较高的容限，使得该方法显示高产量的整合方案。
在以下描述中，阐明很多细节以便提供该系统的更全面的描述。然而，对本领技术人员而言显而易见的是没有这些具体细节也可实施公开的系统。在其他例子中，对广泛已知的特征没有进行详细描述，以便不会不必要地使该系统模糊。
本发明为利用通过锌金属(Zn)和过氧化锌(ZnO2)的氧化和反应性结合产生的透明的传导氧化锌(ZnO)结合层状材料的处理系统和方法，产生由层状材料和氧化锌形成的结合的结构。图1显示了提出的第一结构10和第二结构20之间的混合的氧化锌结合方法的示意性图解。在图解的实施方式中，提供的第一和第二结构10,20为第一和第二晶片10,20。在其他实施方式中，第一和第二结构可包括层状单元中的具体器件或手柄(handle)之一或两者。在进一步的实施方式中，结构之一或两者可为光电的和/或包括太阳能电池。
第一和第二晶片10,20可包括材料诸如硅、结晶硅酸盐、砷化镓、磷化铟、磷化镓、铝砷化镓和铟砷化镓。因为过氧化锌层被沉积在第一和第二晶片10,20上，如以下更详细地讨论的，形成第一和第二晶片10,20的材料的相容性不太有效，因为这些材料在结合过程期间可能不必须彼此接触。如此，具有更大的灵活性以包括第一和第二晶片10,20中的更多种材料。
为了进一步描述结合过程，包含过氧化锌的材料被沉积在第一和第二晶片10,20上，形成过氧化锌层30，如图解的实施方式所示。过氧化锌层30可为透明的和/或传导的。在可选实施方式中，过氧化锌层30仅被沉积在第一和第二晶片10,20之一上。过氧化锌层30可在大气压力下被沉积并且因此不必要求真空系统或其他压力改变系统，如其他晶片结合应用一样。同样，过氧化锌层30可利用等离子体增强工具或在本领域中通常使用的其他工具进行沉积。
在施加过氧化锌层30之后，锌金属层40随后形成在第一和第二晶片10,20之一或两者上。在图解的实施方式中，锌金属层40沉积在第一和第二晶片10,20两者上的过氧化锌层30的上方。在可选实施方式中，锌金属层40可沉积在不具有沉积在其上的过氧化锌层30的第一和第二晶片10,20之一的上方。锌金属层40可具有10-100纳米(nm)或更厚的范围内的厚度。如过氧化锌层30一样，锌金属层40可在大气压力下利用等离子体增强工具或在本领域中通常使用的其他工具进行沉积。
在锌金属层40被沉积在第一和/或第二晶片10,20上后，引发锌金属与氧的结合过程，即锌金属的氧化。为了进行反应，施加压力以将第一和第二晶片10,20压在一起。因此，过氧化锌和锌金属层30,40被压在一起。所施加的压力量可在大约5至80psi的范围内并且可以与主体材料10,20可承受的压力量一样高。除了施加压力至第一和第二晶片10,20，第一和第二晶片10,20被暴露于大约100-400℃范围内的温度。温度应该处于足以产生软化锌金属的水平。考虑其他晶片生产方法，这可被认为是低温度范围，尽管可施加更高的温度。然而，该方法利用低温度，在该温度下可发生锌金属的熔化和结合，以便结合过程可在比与其他材料相关的温度低的温度下进行。在如此较低的温度范围进行该过程的能力降低了结合材料中的热应力以及与该过程相关的能量。
热和压力的应用可发生在大约30分钟至3小时的时间范围内或无论多久都是必要的，以实现期望的效果。随着热和压力被施加至第一和第二晶片10,20，额外的氧气也可在第一和第二晶片10,20周围分布，以促进锌金属的进一步氧化。
所描述的热和压力的应用产生以下示出的反应：
(1)2Zn+2O→2ZnO
(2)2ZnO2→2ZnO+2O
(3)Zn+ZnO2→2ZnO
具体地，在氧的存在下对锌金属层40施加热和压力引起锌金属熔化并且进一步产生锌金属的热氧化以形成氧化锌，如方程式(1)中所见。氧化速率可由来自过氧化锌层30中的热致ZnO2-至-ZnO转化反应的氧种类产生提高，如方程式(2)中所见。锌和氧的基于热动力学的二元相图(未示出)也在描述的温度下支持ZnO2-至-ZnO转化反应。来自反应(1)和(2)的最终结果为氧化锌结合，如方程式(3)中所示。可进行氧化锌结合过程，直到大部分或全部的过氧化锌已经经历产生氧化锌的反应。剩余的过氧化锌的量可按优选的减少或消除，这取决于第一和第二晶片10,20的应用和功能。为了证实氧化锌结合已经发生的程度，第一和第二晶片10,20之间的氧化锌的量可由本领域已知的检测方法确定，诸如x-射线衍射和次级离子质谱法。也可在特定波长下测试氧化锌的电阻和光学透明度，与氧化锌的已知参数比较。氧化锌结合过程因此产生氧化锌层50，其随后将第一和第二晶片10,20结合在一起，形成整体的层状结合的结构60。请注意Zn金属膜的完全氧化可能在不要求高光学透明度的应用中不是必需的。
过程的概括视图在图2中示出。首先开始该过程(步骤100)，并且提供和第一结构10和第二结构20(步骤110)。过氧化锌层30形成在第一和第二结构10,20中的至少一个上(步骤120)。锌金属层40随后形成在第一和第二结构10,20中的至少一个上(步骤130)。第一和第二结构10,20随后在压力和热下进行接触和处理，以产生锌金属的氧化(步骤140)。氧化锌层50随后形成在第一和第二结构10,20之间，其将第一和第二结构10,20结合在一起(步骤150)。过程可随后终止(步骤160)。
显而易见地，氧化锌转化的该结合方法放宽了其他类型的结合所要求的表面粗糙度要求。具体地，其他类型的结合步骤，诸如直接晶片结合——其中没有另外的材料在晶片上分层——要求结合表面非常平滑，具有最小的表面不规则度。这可能要求用于处理结合表面以通过在结合过程前的化学机械抛光和/或其他表面处理步骤来实现期望的表面不规则度降低的显著量的生产时间。该结合过程也可提供高产量。具体地，透明的传导氧化锌结合材料，包括过氧化锌，粘附至很多不同的材料，允许多种材料组合用于结合。进一步地，结合的氧化锌提供增加的机械强度与降低的电阻。
氧化锌也提供了在某些波长处的光学透明度。具体地，可利用本结合过程的一个领域为太阳能电池技术或半导体结合技术，其已经生产具有高空间电池效率的太阳能电池。在该技术中，高电池效率显著取决于基于砷化镓的太阳能电池和基于磷化铟的太阳能电池的结合质量。因为本过程降低了在其他过程中固有的对表面制备和材料相容性的要求，可以以额外的自由度、更多种的材料和更高的效率产生半导体结合的太阳能电池设计。例如，在光电模块的水平上，太阳能电池可被结合至金属或陶瓷或轻质手柄。另外，适应多种其他太阳能电池材料，诸如结晶硅酸盐、铜铟硒化物和铟镓氮化物的能力允许高效太阳能电池设计的降低的材料和整合成本。描述的结合过程也可用于要求透明的传导结合的任何其他技术。
尽管本文已经公开了某些说明性实施方式和方法，但对于本领域技术人员而言，从前述公开可显而易见的是可产生这样的实施方式和方法的变形和更改，而不脱离公开的技术的真实精神和范围。存在公开的技术的很多其他实施例，其仅细节上相互差异。因此，期望公开的技术应仅限于由所附权利要求和适用法律的规定和准则要求的范围。
Claims (11)
1.形成结合的层状结构(60)的方法，包括：
提供第一结构(10)和第二结构(20)；
形成包括在所述第一结构(10)和第二结构(20)中的至少一个上的过氧化锌(30)的第一层；
形成包括在所述第一结构(10)和第二结构(20)中的至少一个上的锌金属(40)的第二层；
使所述第一结构(10)和第二结构(20)接触，以便所述第一层接触所述第二层，这种接触发生在所述第一结构和第二结构之间；
处理接触的所述第一结构和第二结构，以引起所述锌金属(40)的氧化；和
在接触的所述第一结构和第二结构之间形成包括氧化锌(50)的第三层。
2.权利要求1所述的方法，其中处理所述接触的层包括在100-400℃的温度范围内施加热至所述接触的层。
3.权利要求1所述的方法，其中处理所述接触的层包括施加5至80psi的范围内的压力。
4.权利要求1所述的方法，其中所述氧化锌由所述锌金属的氧化或所述过氧化锌的热致转化反应形成。
5.权利要求4所述的方法，其中所述氧化由所述过氧化锌提供的氧产生。
6.权利要求4所述的方法，其中所述氧化由提供至所述接触的层的氧气产生。
7.前述权利要求中任一所述的方法，其中所述第一结构和第二结构中的至少一个包括晶片。
8.结合的层状结构(60)，包括：
第一结构(10)和第二结构(20)；和
包括在所述第一结构(10)和第二结构(20)之间的氧化锌(50)的层，所述氧化锌(50)接触所述第一结构和第二结构两者，其中所述氧化锌(50)由包括在所述第一结构(10)和第二结构(20)中的至少一个上的过氧化锌(30)的第一层与包括在所述第一结构(10)和第二结构(20)中的至少一个上的锌金属(40)的第二层之间的反应形成。
9.权利要求8所述的结合的层状结构，其中所述氧化锌(50)通过将所述第一结构(10)和第二结构(20)暴露于100-400℃范围内的温度形成。
10.权利要求9所述的结合的层状结构，其中所述氧化锌(50)通过施加5至80psi范围内的压力使所述第一结构(10)和第二结构(20)接触形成。
11.权利要求8-10中任一项所述的结合的层状结构，其中所述第一结构(10)和第二结构(20)中的至少一个包括晶片、半导体或太阳能电池。
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