CN109678107B - 一种粘接单晶硅和蓝宝石的方法 - Google Patents

一种粘接单晶硅和蓝宝石的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于材料粘接领域，更具体地，涉及一种粘接单晶硅和蓝宝石的方法。其通过采用硅酸钠溶液粘接剂对单晶硅和蓝宝石进行粘接，该方法能够将单晶硅和蓝宝石进行有效的粘接，使得粘接稳固、精密，并使得粘接面能够耐受低至6K的低温温度循环，解决了在降升温过程中由于单晶硅和蓝宝石热膨胀系数不同产生的内应力导致粘接面开裂的问题。

Description

一种粘接单晶硅和蓝宝石的方法
技术领域
本发明属于材料粘接领域，更具体地，涉及一种粘接单晶硅和蓝宝石的方法。
背景技术
单晶硅在1.1μm～6.7μm波段具有很好的透光性能，且机械损耗小、杨氏模量大，可以作为很好的光学材料，尤其是单晶硅在124K和17K附近低温操作环境下热膨胀系数为0，所以单晶硅可以被应用作为低温超稳激光的参考腔材料，除此之外，单晶硅还广泛应用在半导体和太阳能领域。
蓝宝石的透光范围是0.14μm～6.0μm，具有高硬度、高强度、高热导率、耐腐蚀、高电阻率等性能，这使得它在光学、力学、热学领域尤其是高技术领域有着广泛的应用。
在应用单晶硅和蓝宝石这两种材料时，在一些情况下需要将两者进行有效的粘接。目前的粘接方法中，利用氢氧化钾溶液进行氢氧根催化粘接是一中较为优良的选择，但是，对于需要使用在低温环境下的样品，这种粘接方法无法解决在降温升温过程中不同材料热膨胀系数不同导致的内部应力变化致使粘接面开裂的问题。另外对于抛光平整度不够好(高于250nm)的单晶硅或蓝宝石，采用氢氧化钾溶液进行两者的粘接时，由于待粘接表面存在凹坑也会导致粘接面不牢固。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种粘接单晶硅和蓝宝石的方法，其通过采用硅酸钠溶液粘接剂对单晶硅和蓝宝石进行粘接，该方法能够将单晶硅和蓝宝石进行有效的粘接，使得粘接稳固、精密，并使得粘接面能够耐受低至6K的低温温度循环，解决了在降升温过程中由于单晶硅和蓝宝石热膨胀系数不同产生的内应力导致粘接面开裂的问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种粘接单晶硅和蓝宝石的方法，包括如下步骤：
取适量的硅酸钠溶液粘接剂滴于单晶硅待粘接表面，然后将蓝宝石待粘接表面贴合于所述单晶硅待粘接表面；或者
取适量的硅酸钠溶液粘接剂滴于蓝宝石待粘接表面，然后将单晶硅待粘接表面贴合于所述蓝宝石待粘接表面；
静置完成粘接。
优选地，所述单晶硅待粘接表面具有二氧化硅氧化层，所述二氧化硅氧化层厚度大于5nm。
优选地，所述硅酸钠溶液粘接剂为硅酸钠溶液和去离子水按照体积比1:5至1:7混合获得的粘接剂；所述硅酸钠溶液中氢氧化钠质量分数为14％，二氧化硅质量分数为27％。
优选地，所述单晶硅待粘接表面和所述蓝宝石待粘接表面为经过抛光处理后平整度不高于360nm的待粘接表面。
优选地，所述单晶硅待粘接表面和所述蓝宝石待粘接表面在进行粘接前，使用蘸有氧化铈粉末和去离子水的无尘布擦拭以提高待粘接表面的平整度，然后用去离子水冲去氧化铈粉末。
优选地，所述单晶硅待粘接表面和所述蓝宝石待粘接表面在进行粘接前，使用蘸有碳酸氢钠粉末和去离子水的无尘布擦拭以提高待粘接表面的亲水性，然后用去离子水冲去碳酸氢钠粉末。
优选地，所述单晶硅待粘接表面和所述蓝宝石待粘接表面在进行粘接前，使用无尘布擦拭以去除表面的粉尘或杂质，然后使用挥发性有机溶剂擦拭以去除残留的水渍。
优选地，所述的方法，包括如下步骤：
步骤S1：将单晶硅和蓝宝石分别进行抛光处理，并置于丙酮中超声清洁；
步骤S2：将单晶硅待粘接表面进行氧化，使得所述单晶硅待粘接表面形成二氧化硅氧化层；
步骤S3：将所述单晶硅和蓝宝石待粘接表面使用蘸有氧化铈粉末和去离子水的无尘布擦拭，用去离子水冲去氧化铈粉末；
步骤S4：将所述单晶硅和蓝宝石待粘接表面使用蘸有碳酸氢钠粉末和去离子水的无尘布擦拭，用去离子水冲去碳酸氢钠粉末；
步骤S5：使用无尘布擦拭所述单晶硅和蓝宝石待粘接表面使得所述待粘接表面没有肉眼可见的粉尘或杂质；然后使用有机溶剂擦拭单晶硅和蓝宝石待粘接表面；
步骤S6：取适量的硅酸钠溶液粘接溶剂滴于所述单晶硅待粘接表面，然后与蓝宝石待粘接表面贴合，或者取适量的硅酸钠溶液粘接溶剂滴于所述蓝宝石待粘接表面，然后与单晶硅待粘接表面贴合，在室温下静置数周完成粘接。
优选地，所述粘接单晶硅和蓝宝石的方法在洁净环境下进行，所述洁净环境的洁净等级不低于100。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的粘接单晶硅和蓝宝石的方法，其采用硅酸钠溶液作为粘接剂，硅酸钠溶液中不仅含有氢氧根离子还含有二氧化硅成分，氢氧根离子用于催化单晶硅表面的二氧化硅氧化层与蓝宝石表面形成稳定的化学键连接，硅酸钠溶液中含有的二氧化硅可用于弥补单晶硅表面或蓝宝石表面平整度不高的缺陷。
(2)本发明公开了一种在室温下利用硅酸钠溶液粘接溶剂粘接单晶硅和蓝宝石的方法，使用这种方法粘接的单晶硅和蓝宝石成品不仅在室温和低温环境(六开尔文左右，即-267℃甚至更低的温度)下牢固可靠，并可在数次降温升温过程中保持良好的强度，解决了两种材料热膨胀系数不同导致的内应力变化致使样品在变温过程中开裂的问题。
(3)该方法可使得单晶硅和蓝宝石之间形成的粘接面不但和光胶方法的粘接面一样高精密，又具有热熔粘接方法的粘接面一样高的强度。在可以预见的未来，这种方法可以被应用到低温引力波探测器、低温超稳激光频率参考腔或其它装置中光学器件或半导体器件的制备、组装和固定中。
附图说明
图1是本发明蓝宝石和单晶硅氢氧根催化粘接后各物理层示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的一种粘接单晶硅和蓝宝石的方法，包括如下步骤：
在洁净环境下，取适量的硅酸钠溶液粘接剂滴于单晶硅待粘接表面，然后将蓝宝石待粘接表面贴合于所述单晶硅待粘接表面；或者取适量的硅酸钠溶液粘接剂滴于蓝宝石待粘接表面，然后将单晶硅待粘接表面贴合于所述蓝宝石待粘接表面；静置完成粘接。
单晶硅在加工成形后表面会自然氧化，使用椭偏仪测得氧化层厚度在3.4～5.2nm范围内。
利用硅酸钠溶液粘接剂中的氢氧根离子蚀刻单晶硅表面的氧化层破坏掉二氧化硅中的硅氧化学键，并连带溶液中的水分子反应生成Si(OH)5 -，随着反应的进行溶液的pH值降低，Si(OH)5 -分离出氢氧根离子并发生相互聚合生成硅氧烷链，另一方面氢氧根离子与蓝宝石之间发生类似反应生成铝酸盐链，硅氧烷链和铝酸盐链之间聚合最终在氧化硅和蓝宝石之间形成稳固的硅铝酸盐化学键连接，而粘接溶液中多余的水分缓慢蒸发到空气中，粘接后各物理层成分依次为Al2O3、(HO)2AlOSi(OH)3、SiO2和Si，如图1所示。采用该粘接方法将单晶硅和蓝宝石粘接以后，在室温下具有很好的粘接力，不会出现开裂现象。
一些优选的实施例中，为了保证在低温循环下单晶硅和蓝宝石粘接成品不出现开裂现象，特别对待粘接的单晶硅表面进行人工氧化处理，使得所述单晶硅待粘接表面形成有二氧化硅氧化层，所述二氧化硅氧化层厚度大于5nm。形成一定厚度二氧化硅氧化层的单晶硅更有利于与硅酸钠粘接剂和蓝宝石待粘接表面发生化学成键作用，形成更为牢固的粘接界面。且经实验证实，经氧化形成大于5nm氧化层的单晶硅与蓝宝石采用本发明的粘接方法进行粘接以后，不仅在室温下不会出现开裂现象，而且能够经受住从室温降温到6K再升温到室温的温度循环而不沿粘接面裂开，可以满足粘接成品长期在低温环境下工作的要求。
一些实施例中，所述硅酸钠溶液粘接剂为硅酸钠溶液和去离子水按照体积比1:5至1:7混合获得的粘接剂，其中，优选地，所述硅酸钠溶液中氢氧化钠质量分数为14％，二氧化硅质量分数为27％时，粘接性能较好。
本发明选择硅酸钠溶液粘接剂中含有一定量的二氧化硅成分，其可以填补本身由于加工缺陷导致的平整度不够高的单晶硅或蓝宝石表面存在的凹坑，增加待粘接单晶硅或蓝宝石表面的平整度，提高粘接效果。而单晶硅表面本身由于置于空气中氧化形成的二氧化硅氧化层或者特别进行氧化处理形成的厚度大于5nm的二氧化硅氧化层的作用在于通过硅酸钠溶液粘接剂与蓝宝石待粘接表面进行成键。
一些优选实施例中，所述单晶硅待粘接表面和所述蓝宝石待粘接表面为经过抛光处理后平整度不高于360nm待粘接表面。
一些实施例中，所述单晶硅待粘接表面和所述蓝宝石待粘接表面在进行粘接前，使用蘸有氧化铈粉末和去离子水的无尘布擦拭以提高待粘接表面的平整度，然后用去离子水冲去氧化铈粉末。
一些实施例中，所述单晶硅待粘接表面和所述蓝宝石待粘接表面在进行粘接前，使用蘸有碳酸氢钠粉末和去离子水的无尘布擦拭以提高待粘接表面的亲水性，然后用去离子水冲去碳酸氢钠粉末。
一些实施例中，所述单晶硅待粘接表面和所述蓝宝石待粘接表面在进行粘接前，使用无尘布擦拭以去除表面的粉尘或杂质，然后使用挥发性有机溶剂擦拭以去除残留的水渍。
本发明提供的一种优选的粘接单晶硅和蓝宝石的方法，包括如下步骤：
步骤S1：将单晶硅和蓝宝石分别进行抛光处理，并置于丙酮中超声清洁；
步骤S2：将单晶硅待粘接表面进行氧化，使得所述单晶硅待粘接表面形成二氧化硅氧化层；
步骤S3：将所述单晶硅和蓝宝石待粘接表面使用蘸有氧化铈粉末和去离子水的无尘布擦拭，用去离子水冲去氧化铈粉末；
步骤S4：将所述单晶硅和蓝宝石待粘接表面使用蘸有碳酸氢钠粉末和去离子水的无尘布擦拭，用去离子水冲去碳酸氢钠粉末；
步骤S5：在洁净环境下，使用无尘布擦拭所述单晶硅和蓝宝石待粘接表面使得所述待粘接表面没有肉眼可见的粉尘或杂质；然后使用有机溶剂擦拭单晶硅和蓝宝石待粘接表面；
步骤S6：在洁净环境下，取适量的硅酸钠溶液粘接溶剂滴于所述单晶硅待粘接表面，然后与蓝宝石待粘接表面贴合，或者取适量的硅酸钠溶液粘接溶剂滴于所述蓝宝石待粘接表面，然后与单晶硅待粘接表面贴合，在室温下静置数周完成粘接。
一些实施例中，所述洁净环境的洁净等级不低于100。
一些实施例中，静置四周以上完成粘接。
以下为实施例：
一种可以耐受低温的使用硅酸钠溶液粘接单晶硅和蓝宝石的方法。其关键在于该方法的实现包括以下步骤。
步骤S1：将直径25.4mm、厚度6.35mm的单晶硅圆片和蓝宝石圆片进行抛光处理使其表面平整度达到158nm，并置于丙酮中进行超声清洁。
步骤S2：将单晶硅放置于管式炉中，抽真空，将管式炉加热到1000℃，往管式炉充1个标准大气压的高纯氧，保持1000℃温度半小时，抽真空，降温到室温。
步骤S3；将单晶硅和蓝宝石待粘接表面使用蘸有氧化铈粉末和去离子水的无尘布擦拭，用去离子水冲去氧化铈粉末，使用蘸有碳酸氢钠粉末和去离子水的无尘布擦拭，用去离子水冲去碳酸氢钠粉末。
步骤S4：在洁净等级100的洁净环境下，用无尘布擦拭单晶硅和蓝宝石待粘接表面使得待粘接表面没有肉眼可见的粉尘或杂质。然后使用甲醇擦拭单晶硅和蓝宝石待粘接表面。
步骤S5：在洁净等级100的洁净环境下，取硅酸钠溶液和去离子水按照体积配比1:6混合并搅拌均匀，然后使用孔径滤膜过滤制备成粘接溶剂。
步骤S6：在洁净等级100的洁净环境下，用微量移液器将步骤S5所述粘接溶剂滴于单晶硅待粘接表面，然后将蓝宝石放置在单晶硅上面，接着在室温下静置4周完成粘接。
为检验以上步骤完成的粘接成品粘接效果，将样品放入低温制冷机进行低温温度循环耐受实验，降温2天达到11K,并连续保持10天，升温1天到室温后取出样品，样品完好没有开裂。使用材料性能试验机对样品进行剪切力测试，样品粘接面剪切力为2.9kN，剪切强度为5.7MPa。
单晶硅在加工成形后表面会自然氧化，使用椭偏仪测得氧化厚度在3.4～5.2nm范围内。为了保证在低温循环下单晶硅和蓝宝石粘接成品不出现开裂现象，我们需要对单晶硅表面进行人工氧化。
经过后续测试和检验，采用此方法粘接单晶硅和蓝宝石，不论单晶硅是否经过表面人工氧化(即步骤S2)在室温下都不会出现开裂现象，而单晶硅表面经过人工氧化后的粘接成品在低温耐受方面明显优于没有经过人工氧化的粘接成品。
本发明可以实现对单晶硅和蓝宝石两种材料进行精密牢固的粘接，并解决了粘接成品在升降温过程中由于单晶硅和蓝宝石热膨胀系数不同产生的内应力导致粘接面开裂的问题。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种粘接单晶硅和蓝宝石的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：将单晶硅和蓝宝石分别进行抛光处理，并置于丙酮中超声清洁；
步骤S2：将单晶硅待粘接表面进行氧化，使得所述单晶硅待粘接表面形成二氧化硅氧化层,所述二氧化硅氧化层厚度大于5nm；
步骤S3：将所述单晶硅氧化层表面和蓝宝石待粘接表面使用蘸有氧化铈粉末和去离子水的无尘布擦拭，用去离子水冲去氧化铈粉末；
步骤S4：将所述单晶硅氧化层表面和蓝宝石待粘接表面使用蘸有碳酸氢钠粉末和去离子水的无尘布擦拭，用去离子水冲去碳酸氢钠粉末；
步骤S5：在洁净环境下，使用无尘布擦拭所述单晶硅和蓝宝石待粘接表面使得所述待粘接表面没有肉眼可见的粉尘或杂质，然后使用有机溶剂擦拭单晶硅和蓝宝石待粘接表面；
步骤S6：在洁净环境下，用微量移液器取适量的硅酸钠溶液粘接溶剂，并滴于所述单晶硅待粘接表面，然后将蓝宝石放置在单晶硅上面，并快速完成位置调整,在室温下静置数周完成粘接。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硅酸钠溶液粘接剂为硅酸钠溶液和去离子水按照体积比1:5至1:7混合获得的粘接剂。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述单晶硅待粘接表面和所述蓝宝石待粘接表面为经过抛光处理后平整度不高于360nm的待粘接表面。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述单晶硅待粘接表面和所述蓝宝石待粘接表面在进行粘接前，使用蘸有氧化铈粉末和去离子水的无尘布擦拭以提高待粘接表面的平整度，然后用去离子水冲去氧化铈粉末。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述单晶硅待粘接表面和所述蓝宝石待粘接表面在进行粘接前，使用蘸有碳酸氢钠粉末和去离子水的无尘布擦拭以提高待粘接表面的亲水性，然后用去离子水冲去碳酸氢钠粉末。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述单晶硅待粘接表面和所述蓝宝石待粘接表面在进行粘接前，使用无尘布擦拭以去除表面的粉尘或杂质，然后使用挥发性有机溶剂擦拭以去除残留的水渍。
7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述粘接单晶硅和蓝宝石的方法在洁净环境下进行，所述洁净环境的洁净等级不低于100。
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