一种粘结单晶硅和蓝宝石的方法技术

本发明专利技术属于材料粘结领域，更具体地，涉及一种粘结单晶硅和蓝宝石的方法。其通过采用硅酸钠溶液粘结剂对单晶硅和蓝宝石进行粘结，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。

A Method of Bonding Single Crystal Silicon and Sapphire

The invention belongs to the field of material bonding, and more specifically relates to a method for bonding monocrystalline silicon and sapphire. By using sodium silicate solution binder to bond monocrystalline silicon and sapphire, this method can bond monocrystalline silicon and sapphire effectively, make the bonding firm and precise, and make the bonding surface withstand the low temperature cycle as low as 6K, and solve the internal stress caused by the different thermal expansion coefficients of monocrystalline silicon and sapphire during the cooling and heating process. The problem of fissure.

【技术实现步骤摘要】
一种粘结单晶硅和蓝宝石的方法
本专利技术属于材料粘结领域，更具体地，涉及一种粘结单晶硅和蓝宝石的方法。
技术介绍
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
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结时，由于待粘结表面存在凹坑也会导致粘结面不牢固。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种粘结单晶硅和蓝宝石的方法，其通过采用硅酸钠溶液粘结剂对单晶硅和蓝宝石进行粘结，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，按照本专利技术的一个方面，提供了一种粘结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，然后将蓝宝石待粘结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，然后将单晶硅待粘结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，所述硅酸钠溶液粘结剂为硅酸钠溶液和去离子水按照体积比1:5至1:7混合获得的粘结剂；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，所述单晶硅待粘结表面和所述蓝宝石待粘结表面为经过抛光处理后平整度不高于360nm的待粘结表面。优选地，所述单晶硅待粘结表面和所述蓝宝石待粘结表面在进行粘结前，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结表面的平整度，然后用去离子水冲去氧化铈粉末。优选地，所述单晶硅待粘结表面和所述蓝宝石待粘结表面在进行粘结前，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结表面的亲水性，然后用去离子水冲去碳酸氢钠粉末。优选地，所述单晶硅待粘结表面和所述蓝宝石待粘结表面在进行粘结前，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站街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，然后与蓝宝石待粘结表面贴合，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，然后与单晶硅待粘结表面贴合，在室温下静置数周完成粘接。优选地，所述粘结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，通过本专利技术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)本专利技术提供的粘结单晶硅和蓝宝石的方法，其采用硅酸钠溶液作为粘结剂，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)本专利技术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是本专利技术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专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术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专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术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。本专利技术提供的一种粘结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，然后将蓝宝石待粘结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，然后将单晶硅待粘结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。利用硅酸钠溶液粘结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，而粘结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。采用该粘结方法将单晶硅和蓝宝石粘结以后，在室温下具有很好的粘结力，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，特别对待粘结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结剂和蓝宝石待粘结表面发生化学成键作用，形成更为牢固的粘结界面。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专利技术的粘结方法进行粘结以后，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，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种粘结单晶硅和蓝宝石的方法，其特征在于，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，然后将蓝宝石待粘结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，然后将单晶硅待粘结表面贴合于所述蓝宝石待粘接表面；静置完成粘接。

【技术特征摘要】
1.一种粘结单晶硅和蓝宝石的方法，其特征在于，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，然后将蓝宝石待粘结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，然后将单晶硅待粘结表面贴合于所述蓝宝石待粘接表面；静置完成粘接。2.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具有二氧化硅氧化层，所述二氧化硅氧化层厚度大于5nm。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述硅酸钠溶液粘结剂为硅酸钠溶液和去离子水按照体积比1:5至1:7混合获得的粘结剂；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％。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述单晶硅待粘结表面和所述蓝宝石待粘结表面为经过抛光处理后平整度不高于360nm的待粘结表面。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述单晶硅待粘结表面和所述蓝宝石待粘结表面在进行粘结前，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结表面的平整度，然后用去离子水冲去氧化铈粉末。6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述单晶硅待粘结表面和所述蓝宝石待粘结表面在进行粘结前，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结表面的亲水性，然后用去离子水...

【专利技术属性】
技术研发人员：张洁，孙云龙，叶艳霞，石晓辉，闫春杰，陆泽晃，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42