一种图形化划道消除Ge/Si键合界面气泡的方法技术

本发明专利技术公开了一种图形化划道消除Ge/Si键合界面气泡的方法，首先采用砂轮划片机在晶片表面切割出宽度为微米级等间距的凹槽，其次在Si片和Ge片表面生长一层a‑Ge作为键合中间层，通过切割出的凹槽实现退火过程中形成的副产物的有效排出，避免副产物的堆积。

A method of eliminating bubbles in Ge / Si bonding interface by graphing trace

【技术实现步骤摘要】
一种图形化划道消除Ge/Si键合界面气泡的方法
本专利技术涉及一种低温Ge/Si键合界面气泡消除方法，尤其是涉及一种利用砂轮划片机切割出的图形化微米级副产物排泄道实现Ge/Si键合界面副产物的排出，从而获得无气泡的Ge/Si键合界面新方法。
技术介绍
在过去几十年中，薄膜制备工艺以外延技术为主导，采用外延技术可以实现晶格匹配的高质量薄膜的生长。然而对于大晶格失配材料的异质外延来说，由于材料晶格不匹配，因此在高温异质外延过程中会在外延薄膜中形成高密度的穿透位错。对于Ge/Si外延体系来说，Ge和Si之间存在4.2%的晶格失配，因此在Si上外延Ge薄膜也会在Ge薄膜中形成高密度的穿透位错。虽然目前研究人员采用诸多改进的外延技术来限制位错的传播和相互作用，从而降低Ge薄膜中的穿透位错密度，然而由于无法避免晶格失配带来的外延技术瓶颈，因此目前Ge薄膜中的穿透位错密度很难降低到106cm-2以下。为了制备低位错密度的Si基Ge薄膜材料，研究人员尝试采用Ge/Si异质键合来实现Si基Ge薄膜的异质混合集成。近年来，Byun等人和Gity等人采用等离子体自由基活化的方法来实现低温Ge/Si键合和Si基Ge薄膜的智能剥离。等离子体自由基活化原理上也是一种亲水性键合方法，由于等离子体的活化作用，活化后的衬底表面具有极强的亲水性。由于亲水键合在键合片退火过程中会发生亲水化学反应，其中会涉及到键合界面副产物的产生和排泄问题，虽然采用等离子体处理在Ge/Si键合界面形成的纳米级氧化层可以对键合界面形成的气态副产物进行排泄，然而这种方式不仅会引入氧化层，而且很难完全消除气泡，这极大的限制了Ge/Si键合技术在光电子领域的应用。本课题组近期采用a-Ge中间层键合方法结合自主专利技术的3秒贴合技术，在低温下实现了几乎零气泡的Ge/Si键合，而且通过a-Ge的晶化实现了键合界面氧化层的分解。然而由于亲水反应的存在，键合界面的气泡依然很难完全消除干净，而且3秒贴合技术对实验条件（湿度和洁净度）的要求较高，对操作过程要求较为苛刻，因此寻找一种能在大气氛围下对暴露时间不敏感且易于操作的a-Ge中间层Ge/Si键合新方法对实现无气泡Ge/Si键合及其在光电子领域的应用具有重要的科学意义。本专利采用砂轮划片机预先在Si片表面切割出图形化高密度的划道，为Ge/Si键合界面副产物提供就近的排泄通道，从而在低温退火条件下有效的实现键合界面副产物的排出，获得无气泡的Ge/Si键合界面。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对低温Ge/Si键合中遇到的键合界面存在由于界面亲水反应形成的难以排除的H2O和H2气泡的问题，提出一种利用砂轮划片机切割出的图形化微米级副产物排泄道实现Ge/Si键合界面副产物的及时排出，从而去除键合界面堆积的H2O和H2，实现无气泡的Ge/Si键合界面。即首先采用砂轮划片机在晶片表面切割出宽度为微米级等间距的凹槽，其次在Si片和Ge片表面生长一层a-Ge作为键合中间层，通过切割出的凹槽实现退火过程中形成的副产物的有效排出，避免副产物的堆积。为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种图形化划道消除Ge/Si键合界面气泡的方法，包括以下步骤：1）将Si片的背面黏附于蓝膜上，将蓝膜加热到50°C，保持5~10min，采用砂轮划片机在Si片正面切割出厚度为微米级的等间距划道（间距为0.5mm）；2）经上述1）步骤处理后的Si片和Ge片分别用丙酮、乙醇和去离子水依次超声清洗10~15min，去除基底表面吸附颗粒物和有机物；3）经上述2）步骤清洗后的Si片，先用体积配比为H2SO4:H2O2=4:1的溶液煮沸10~15min，去离子水冲洗10~15次，再将Si片用体积配比为HF:H2O=1:20的溶液浸泡2~4min，去离子水冲洗10~15次；4）经上述2）步骤清洗后的Ge片用体积配比为HF:H2O=1:20的溶液浸泡2~4min，去离子水冲洗10~15次；5）经上述3）步骤处理后的Si片先用体积配比为NH4OH:H2O2:H2O=1:1:4的溶液煮沸10~15min，去离子水冲洗10~15次，再将Si片用体积配比为HF:H2O=1:20的溶液浸泡2~4min，去离子水冲洗10~15次；6）经上述5）步骤处理后的Si片先用体积配比为HCl:H2O2:H2O=1:1:4的溶液煮沸10~15min，去离子水冲洗10~15次，再将Si片用体积配比为HF:H2O=1:20的溶液浸泡2~4min，去离子水冲洗10~15次；7）经上述4）步骤处理后Ge片和上述6）步骤处理后的Si片用甩干机甩干后放入磁控溅射系统，待溅射室本底真空度小于1×10-4Pa，向溅射室内充入纯度为5N的Ar气体，使腔体内压强为0.5Pa；8）室温下，在Si片和Ge片表面溅射一层5nm的a-Ge薄膜，通过控制磁控溅射靶位电流和样品托转速来调节溅射a-Ge薄膜的速率；9）经上述8）步骤溅射完a-Ge薄膜的Si片和Ge片取出后浸泡于去离子水中2~4min；10）经上述9）步骤处理后的Si片和Ge片用甩干机甩干后贴合在一起；11）经上述10）步骤获得的Ge/Si贴合片放入管式退火炉中进行低温热退火。本专利技术的优点在于：本专利技术创新性地提出利用砂轮划片机切割出的划道作为键合界面副产物的排泄道实现无气泡的Ge/Si键合界面，该方法不仅可以解决键合界面副产物的排泄问题，而且可以通过a-Ge将Ge/Si键合界面进行有效的集成。本专利技术利用砂轮划片机和磁控溅射来实现低温无气泡的Ge/Si键合，是一种成本极低、较为简易的Si基材料集成方法。附图说明图1为本专利技术实施例1所得Ge/Si键合界面超声波显微镜测试图，(a)划道间距为5mm；(b)划道间距为0.5mm。具体实施方式以下实施例将结合附图对本专利技术作进一步的说明。实施例1所用设备为HW1601精密砂轮划片机和TRP-450复合薄膜溅射沉积系统，生长室内安置两个直流靶位和一个射频靶位。所用的靶材为5N（99.999%以上）的高纯Ge圆形靶材。所用的Si衬底材料为晶向（100）的N型单晶Si片，单面抛光，电阻率为~0.002Ω·cm，厚度为500μm。所用的Ge衬底材料为晶向（100）的N型单晶Ge片，单面抛光，电阻率为>30Ω·cm，厚度为350μm。一，Si片表面划道切割1）将蓝膜套在8英寸的不锈钢框上，将加工切割成的2cm×2cm的Si片背面放置于不锈钢框正中间的蓝膜上；2）将不锈钢框翻转180°使Si片正面朝下放置于一无尘布上，并用卡片将Si片背面与蓝膜贴合位置的气泡挤出；3）将不锈钢框再次翻转180°放置于加热台上，温度调至50°C，将蓝膜加热5min，提高蓝膜与Si片之间的粘附性；4）将黏贴完Si片的不锈钢框放置于切割台上，采用真空吸附将蓝膜吸附在切割台上；5）采用切割Si片专用切割刀对蓝膜上的Si片表面进行图形化等本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种图形化划道消除Ge/Si键合界面气泡的方法，其特征在于，包括以下步骤：1）将Si片的背面黏附于蓝膜上，将蓝膜加热到50 ℃，保持5~10 min，采用砂轮划片机在Si片正面切割出厚度为微米级的等间距划道；/n2）经上述1）步骤处理后的Si片和Ge片分别用丙酮、乙醇和去离子水依次超声清洗10~15 min，去除基底表面吸附颗粒物和有机物；/n3）经上述2）步骤清洗后的Si片，先用体积配比为H

【技术特征摘要】
1.一种图形化划道消除Ge/Si键合界面气泡的方法，其特征在于，包括以下步骤：1）将Si片的背面黏附于蓝膜上，将蓝膜加热到50℃，保持5~10min，采用砂轮划片机在Si片正面切割出厚度为微米级的等间距划道；
2）经上述1）步骤处理后的Si片和Ge片分别用丙酮、乙醇和去离子水依次超声清洗10~15min，去除基底表面吸附颗粒物和有机物；
3）经上述2）步骤清洗后的Si片，先用体积配比为H2SO4:H2O2=4:1的溶液煮沸10~15min，去离子水冲洗10~15次，再将Si片用体积配比为HF:H2O=1:20的溶液浸泡2~4min，去离子水冲洗10~15次；
4）经上述2）步骤清洗后的Ge片用体积配比为HF:H2O=1:20的溶液浸泡2~4min，去离子水冲洗10~15次；
5）经上述3）步骤处理后的Si片先用体积配比为NH4OH:H2O2:H2O=1:1:4的溶液煮沸10~15min，去离子水冲洗10~15次，再将Si片用体积配比为HF:H2O=1:20的溶液浸泡2~4min，去离子水冲洗10~15次；
6）经上述5）步骤处理后的Si片先用体积配比为HCl:H2O2:H2O=1:1:4的溶液煮沸10~15min，去离子水冲洗1...

【专利技术属性】
技术研发人员：柯少颖，陈松岩，黄东林，周锦荣，
申请(专利权)人：闽南师范大学，厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建;35