JP6351211B2 - 亜鉛金属及び過酸化亜鉛の反応接合により形成される層状の接合構造 - Google Patents
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Description
本発明は、酸化亜鉛を形成するために過酸化亜鉛及び亜鉛金属の反応接合を使用して材料を接合させることに関するものである。
本発明の一態様によれば、亜鉛金属及び過酸化亜鉛との反応接合から形成される層状の接合構造の方法、システム、及び装置が提供されている。一又は複数の実施形態では、本発明は、第１構造及び第２構造を供給することを含む接合層状構造を形成し、第１構造及び第２構造のうちの一又は複数に亜鉛金属と過酸化亜鉛の層を形成し、第１構造及び第２構造を処理して、亜鉛金属を酸化させ、第１構造及び第２構造との間に酸化亜鉛の別の層を形成する方法を教示する。少なくとも一つの実施形態では、酸化亜鉛は亜鉛金属の酸化及び過酸化亜鉛の脱酸によって形成される。さらなる実施形態では、酸化は、過酸化亜鉛によって、また周囲の酸素によって供給される酸素によって起こる。
接触した層の処理には、接触した層を約１００〜４００℃の範囲の温度に加熱することが含まれるため、有利である。
接触した層の処理には、約５〜８０ｐｓｉの範囲で加圧することが含まれるため、有利である。酸化亜鉛は亜鉛金属の酸化によって形成されるため、有利である。
酸化亜鉛は、過酸化亜鉛の熱的誘導による転換反応から形成されることが好ましい。
酸化は過酸化亜鉛から得られる酸素によって起こるため、有利である。酸化は、接触した層に供給される酸素ガスによって起こることが好ましい。
第１構造及び第２構造のうちの少なくとも一つはウェハからなるため、有利である。
第１構造及び第２構造のうちの少なくとも一つは半導体からなるため、有利である。
代替的には、第１構造及び第２構造のうちの少なくとも一つは太陽電池からなる。
代替的には、第１構造及び第２構造のうちの少なくとも一つはガリウムヒ素からなる。
本発明のさらなる態様によれば、第１構造及び第２構造、及び第１構造及び第２構造との間に酸化亜鉛を含む層を備える接合層状構造が提供されており、酸化亜鉛は亜鉛金属の酸化によって第１構造及び第２構造のうちの少なくとも一つに形成される。少なくとも一つの実施形態では、酸化亜鉛は過酸化亜鉛の脱酸によって第１構造及び第２構造のうちの少なくとも一つに形成される。酸化亜鉛は、第１構造及び第２構造を約１００〜４００℃の範囲の温度に晒すことによって形成されるため、有利である。
酸化亜鉛は、第１構造及び第２構造を約５〜８０ｐｓｉの範囲で加圧して接触させることによって形成されるため、有利である。
酸化亜鉛は、過酸化亜鉛から第１構造及び第２構造のうちの少なくとも一つに形成されるため、有利である。
酸化亜鉛は、第１構造及び第２構造に供給される酸素ガスから形成されるため、有利である。
第１構造及び第２構造のうちの少なくとも一つはウェハからなるため、有利である。
第１構造及び第２構造のうちの少なくとも一つは半導体からなるため、有利である。
第１構造及び第２構造のうちの少なくとも一つは太陽電池からなるため、有利である。
第１構造及び第２構造のうちの少なくとも一つはガリウムヒ素からなるため、有利である。
上記の特徴、機能、及び利点は、本発明の種々の実施形態において単独で達成する、または他の実施形態において組み合わせることができる。
本発明の上記及び他の特徴、態様、及び利点に対する理解は、後述の説明、特許請求の範囲、及び添付図面を参照することにより深まるであろう。
本明細書に開示した方法及び装置は、応用形態、特に半導体、及び層状セラミック、層状金属、層状複合物等の他の材料の層状ウェハを用いる応用形態において層状の構造を接合させるシステムを提供する。具体的には、このシステムは、構造を互いに接合させる酸化亜鉛層を形成することによって、層状構造間の接合を行う。
酸化亜鉛は、亜鉛金属と過酸化亜鉛との間で発生する反応から生成され、亜鉛金属と過酸化亜鉛は構造上の層として供給される。
特定の処理技術には、層間に酸化亜鉛等の高透過性及び高導電媒質の層状材料を接合させることが要求される。従来の方法では、接合プロセスは例えば、
１）薄い金属の界面層、２）薄いポリマー膜、３）直接酸化物接合機構を有する透明導電酸化物、４）高濃度にドープされたＩＩＩ−Ｖ界面層、及び５）透明カーボンナノチューブ膜等の材料を用いるこれらの材料を用いる方法にはしかしながら、様々な制限が生じる。例えば、層を高度に研磨しなければならない、又は処理に高レベルのエネルギーを要する。
１）薄い金属の界面層、２）薄いポリマー膜、３）直接酸化物接合機構を有する透明導電酸化物、４）高濃度にドープされたＩＩＩ−Ｖ界面層、及び５）透明カーボンナノチューブ膜等の材料を用いるこれらの材料を用いる方法にはしかしながら、様々な制限が生じる。例えば、層を高度に研磨しなければならない、又は処理に高レベルのエネルギーを要する。
層を互いに接合させるにあたって生じる上記制限を最小限に抑えるために、本方法は、亜鉛の低い溶融温度を利用して、亜鉛金属における酸素の結合を引き起こし、亜鉛金属を酸化亜鉛に転換する。酸化亜鉛の形成に必要な酸素は、過酸化亜鉛から、また必要に応じて追加された酸素ガスから供給される。亜鉛金属の使用により、接合前の層状母材の表面トポグラフィーに柔軟性及びより高い許容値が得られるため、この方法は高収量の統合スキームである。
下記の説明では、システムのさらに徹底した説明を提供するために多数の詳細事項が記載されている。しかしながら、当業者には、開示されたシステムをこれらの具体的な詳細事項なしで実行可能であることが明らかであろう。その他の場合では、システムを不要にわかりにくくしないために、よく知られる特徴については詳細に説明していない。
本発明は、酸化及び亜鉛金属（Ｚｎ）及び過酸化亜鉛（ＺｎＯ２）の反応接合を通して生じる透明導電酸化亜鉛（ＺｎＯ）を使用して層状材料を接合させ、この結果、層状材料と酸化亜鉛から形成された接合構造ができる処理システム及び方法である。図１は、提案の第１構造１０と第２構造２０との間のハイブリッド酸化亜鉛接合法の概略図である。図示した実施形態では、提供される第１構造１０及び第２構造２０は第１ウェハ１０及び第２ウェハ２０である。他の実施形態では、第１構造及び第２構造は、特定のデバイス及び積層ユニットのハンドルのいずれか、あるいは両方を備える。さらなる実施形態では、構造のうちのいずれか又は両方は光起電性である、及び／又は太陽電池を備える。
第１ウェハ１０及び第２ウェハ２０は、ケイ素、結晶質ケイ酸塩、ガリウムヒ素、リン化インジウム、ガリウムリン、アルミニウムガリウムヒ素、及びインジウムガリウムヒ素等の材料を含む。過酸化亜鉛の層は第１ウェハ１０及び第２ウェハ２０に堆積するため、後にさらに詳しく説明するように、第１ウェハ１０及び第２ウェハ２０を形成する材料の親和性の影響力は弱く、これは接合プロセス中にこれらの材料が必ずしも互いに接触しないからである。このため、第１ウェハ１０及び第２ウェハ２０はより柔軟に、はるかに多くの種類の材料を含むことができる。
接合プロセスをさらに説明するために、過酸化亜鉛を含む材料を第１ウェハ１０及び第２ウェハ２０に堆積させて、図示した実施形態のように過酸化亜鉛の層３０を形成する。過酸化亜鉛の層３０は透明及び／又は導電性である。代替実施形態では、過酸化亜鉛の層３０を第１ウェハ１０及び第２ウェハ２０のうちのいずれかのみに堆積させる。過酸化亜鉛の層３０は大気圧下で堆積させるため、他のウェハ接合の応用形態のように、真空システム又は他の圧力偏向システムを必ずしも必要としない。また、過酸化亜鉛の層３０は、プラズマ強化ツール、又はこの分野において一般によく使われる他のツールを使用して堆積させる。
過酸化亜鉛の層３０を形成した後で、亜鉛金属の層４０を第１ウェハ１０及び第２ウェハ２０の一方又は両方に形成する。図示した実施形態では、亜鉛金属の層４０は第１ウェハ１０及び第２ウェハ２０両方の過酸化亜鉛の層３０の上に堆積させる。代替実施形態では、亜鉛金属の層４０は、過酸化亜鉛の層３０が堆積していない第１ウェハ１０及び第２ウェハ２０のうちの一方の上に堆積させる。亜鉛金属の層４０の厚さは、１０〜１００ナノメートル（ｎｍ）以上の範囲である。過酸化亜鉛の層３０に関しては、亜鉛金属の層４０は、大気圧下でプラズマ強化ツール、又はこの分野において一般によく使用される他のツールを使用して堆積させる。
亜鉛金属の層４０を第１ウェハ１０及び／又は第２ウェハ２０に堆積させた後で、酸素を有する亜鉛金属の接合プロセス、すなわち亜鉛金属の酸化が引き起こされる。次に、圧力を印加して、第１ウェハ１０及び第２ウェハ２０を互いに押し付ける。この結果、過酸化亜鉛の層３０及び亜鉛金属の層４０が相互に押し付けられる。印加される圧力の量は、約５〜８０ｐｓｉの範囲であり、母材１０及び２０が耐えうる高さであってよい。第１ウェハ１０及び第２ウェハ２０への圧力の印加に加えて、第１ウェハ１０及び第２ウェハ２０は約１００〜４００℃の範囲の温度にさらされる。この温度は、亜鉛金属を軟化させるのに十分なレベルの温度であるべきである。これは他のウェハ生産法を考慮すると低い温度範囲と見なされるが、より高い温度を加えることもできる。この方法はしかしながら、亜鉛金属の溶融及び接合が起きうる低い温度を生かして、他の材料に関連する温度よりも低い温度で接合プロセスを行うものである。上記のような低い温度範囲でプロセスを行うことができると、接合材料の熱的応力、及びプロセスに伴うエネルギーを削減することができる。
熱及び圧力の印加は約３０分〜３時間の時間範囲で行われるが、望ましい効果を得るには長くする必要がある。第１ウェハ１０及び第２ウェハ２０に熱及び圧力を加える時に、第１ウェハ１０及び第２ウェハ２０周囲に追加の酸素ガスを流して、亜鉛金属の酸化をさらに促進させることもできる。
説明した熱及び圧力の印加によって、下記に示す反応が得られる。
（１） ２Ｚｎ ＋ ２Ｏ → ２ＺｎＯ
（２） ２ＺｎＯ２ → ２ＺｎＯ ＋ ２Ｏ
（３） Ｚｎ ＋ ＺｎＯ２ → ２ＺｎＯ
（１） ２Ｚｎ ＋ ２Ｏ → ２ＺｎＯ
（２） ２ＺｎＯ２ → ２ＺｎＯ ＋ ２Ｏ
（３） Ｚｎ ＋ ＺｎＯ２ → ２ＺｎＯ
具体的には、酸素の存在下で亜鉛金属の層４０に熱及び圧力を印加すると、亜鉛金属が溶融し、さらに亜鉛金属の熱酸化が起こり、化学反応式（１）に示すように酸化亜鉛が形成される。酸化速度は、化学反応式（２）に示すように、過酸化亜鉛の層３０の熱的に誘導されたＺｎＯ２からＺｎＯへの転換反応から生成された酸素種によって向上する。亜鉛及び酸素の熱力学ベースの二成分相図（図示せず）は、記載した温度でのＺｎＯ２からＺｎＯへの転換反応も支持する。反応（１）及び（２）の最終結果は、化学反応式（３）に示すように酸化亜鉛の接合である。酸化亜鉛の接合プロセスは、過酸化亜鉛のほとんど、あるいは全てが反応を経て酸化亜鉛になるまで行われる。残った過酸化亜鉛の量は、第１ウェハ１０及び第２ウェハ２０の応用及び機能によって推奨されるように、削減又は除去することができる。酸化亜鉛の接合がどのくらい起きたかを確認するには、第１ウェハ１０及び第２ウェハ２０との間の酸化亜鉛の量を、Ｘ線回折及び二次イオン質量分析法等の当技術分野で周知の検出プロセスによって判断する。また、特定の波長における酸化亜鉛の抵抗及び光透過性についても、酸化亜鉛の既知のパラメータとの比較試験が行われる。これにより、酸化亜鉛接合プロセスの結果、酸化亜鉛５０の層ができ、次に第１ウェハ１０及び第２ウェハ２０が相互に接合されて、単一層の接合構造６０が形成される。高い光透過性を必要としない応用形態においては、Ｚｎ金属膜が完全に酸化する必要がないことを留意されたい。
プロセスの概要を図２に示す。このプロセスを最初に開始し（ステップ１００）、第１構造１０及び第２構造２０を供給する（ステップ１１０）。第１構造１０及び第２構造２０のうちの少なくとも一つに過酸化亜鉛の層３０を形成する（ステップ１２０）。亜鉛金属の層４０を次に第１構造１０及び第２構造２０のうちの少なくとも一つに形成する（ステップ１３０）。第１構造１０及び第２構造２０を次に接触させ、圧力及び熱を加えて処理し、亜鉛金属の酸化を起こす（ステップ１４０）。次に、第１構造１０及び第２構造２０を相互に接合させる酸化亜鉛の層５０を第１構造１０及び第２構造２０の間に形成する（ステップ１５０）。このプロセスはその後終了する（ステップ１６０）。
酸化亜鉛転換のこの接合法により、他の種類の接合法で要求される表面粗さの要件が緩くなる。具体的には、ウェハ上に追加の材料が積層されない直接的なウェハ接合法等の他の種類の接合手順では、表面のでこぼこが最小限に抑えられた非常に平坦な接合表面が要求される。これには、接合プロセスの前に化学的−機械的研磨及び／又は他の表面処理ステップを介して、表面のでこぼこを望ましいレベルまで減らすために接合表面を処理するためのかなりの量の生産時間が必要となる。この接合プロセスはまた、高収量も提供する。具体的には、過酸化亜鉛を含む透明な導電酸化亜鉛接合材料は、多数の異なる材料に付着しているため、様々な材料を組み合わせて接合させることが可能になる。さらに、接合した酸化亜鉛により、機械的強度が上がり、電気抵抗が下がる。
酸化亜鉛はまた、特定の波長において光透過性を発揮する。本発明の接合プロセスを用いることができる特定の一分野は、太陽電池技術、又は半導体接合技術であり、これにより宇宙用の高い変換効率を有する太陽電池が生産されている。この技術において、高い変換効率は、ガリウムヒ素ベースの太陽電池、及びリン化インジウムベースの太陽電池の接合品質にかなり依存する。本発明のプロセスにより、他のプロセスにおいて必要とされる表面処理及び材料の親和性の要件が緩和されるため、半導体接合太陽電池の設計をより高い自由度、さらに多種多様な材料、及びより高い効率で実施することができる。例えば、太陽光電池モジュールのレベルにおいて、太陽電池を金属又はセラミック又は軽量ハンドルに接合させることができる。加えて、結晶質ケイ酸塩、セレン化銅インジウム、窒化インジウムガリウム等の様々な他の太陽電池材料を受け入れることができることによって、高変換効率の太陽電池の設計に対し材料及び統合費用の削減が可能になる。説明した接合プロセスを、透明な導電接合を必要とする任意の他の技術に使用することも可能である。
特定の例示的実施形態及び方法を本明細書に開示したが、前述の開示内容から、当業者には、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく上記実施形態及び方法に変更及び修正を加えることが可能であることが理解されるであろう。その他多数の本発明の実施例があり、各実施例はその詳細事項においてのみ他と異なる。したがって、本発明は特許請求の範囲及び適用法の規則及び原理によって必要とされる範囲にのみ制限される。
１０ 第１構造
２０ 第２構造
３０ 過酸化亜鉛
４０ 亜鉛金属
５０ 酸化亜鉛
６０ 層状構造
２０ 第２構造
３０ 過酸化亜鉛
４０ 亜鉛金属
５０ 酸化亜鉛
６０ 層状構造
Claims (7)
- 接合層状構造（６０）を形成する方法であって、
第１構造（１０）及び第２構造（２０）を供給し、
第１構造（１０）及び第２構造（２０）のうちの少なくとも一つに過酸化亜鉛（３０）を含む第１層を形成し、
第１構造（１０）及び第２構造（２０）のうちの少なくとも一つに亜鉛金属（４０）を含む第２層を形成し、
第１構造及び第２構造の間で第１層が第２層に接触するように第１構造（１０）及び第２構造（２０）を接触させ、
接触した第１構造及び第２構造を処理して、亜鉛金属（４０）を酸化させ、
接触した第１構造及び第２構造の間に酸化亜鉛（５０）を含む第３層を形成する
ことを含む方法。 - 前記接触した構造を処理することは、前記接触した層を１００℃から４００℃の範囲の温度で加熱することを含む、請求項１に記載の方法。
- 前記接触した構造を処理することは、前記接触した層を５ｐｓｉから８０ｐｓｉの範囲で加圧することを含む、請求項１に記載の方法。
- 前記酸化亜鉛は、前記亜鉛金属の酸化によって形成される、請求項１に記載の方法。
- 前記酸化は、前記過酸化亜鉛によって供給される酸素によって起こる、請求項４に記載の方法。
- 前記酸化は、前記接触した層に供給される酸素ガスによって起こる、請求項４に記載の方法。
- 前記第１構造及び第２構造のうちの少なくとも一つはウェハを含む、請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
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