硅片和化合物半导体晶片的低温键合方法技术

本发明专利技术公开了一种硅片和化合物半导体晶片的低温键合方法，使用新的物质石墨烯作为键合介质实现CdZnTe与硅的键合，包括如下步骤：准备硅片,对硅片进行标准湿式化学凊洗法(RCA清洗法)清洗；然后准备CdZnTe晶片，对CdZnTe晶体进行倒角，物理抛光和化学机械抛光等表面处理工艺；然后将石墨烯转移至Si表面，或者将石墨烯转移至CZT表面，或者将石墨烯转移至CZT和Si表面，对两个晶体进行低温退火键合，避免过高的键合的问题，键合质量高，性能优异。

Low temperature bonding of silicon wafer and compound semiconductor wafer

【技术实现步骤摘要】
硅片和化合物半导体晶片的低温键合方法
本专利技术涉及一种半导体电子器件的制备方法，特别是涉及一种硅和化合物半导体材料之间的结合方法，应用于半导体电子器件制备工艺

技术介绍
硅因其价格低廉等优点在微电子领域应用广泛，但因其不具备线性光电效应等特性，所以需要将它与化合物半导体结合形成拥有更多功能、性能更优良的光电子器件和集成电路。由于不同晶体间的晶格不匹配的原因，外延生长不适用于化合物半导体和硅之间的结合、键合是常用的方法。尽管在化合物半导体与硅的键合方法上已经取得了进展，但是很少将Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体和硅进行键合。在现有技术中，键合过程中存在高温、晶向难以对准、键合率低等问题，CdZnTe是制造高效率、高分辨率核辐射探测器的Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料，如能将硅与Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体晶体实现键合，有望开发出一系列新型器件，这成为亟待了解决的技术问题，限制了新型半导体期间的应用。
技术实现思路
为了解决现有技术问题，本专利技术的目的在于克服已有技术存在的不足，提供一种硅片和化合物半导体晶片的低温键合方法，在键合材料中间引入中间层，成为化合物半导体和硅之间进行键合的重要方法。本专利技术采用石墨烯作为键合介质，实现CdZnTe与硅的低温键合，避免过高的键合的问题，键合质量高，性能优异。为达到上述专利技术创造目的，本专利技术采用如下技术方案：一种硅片和化合物半导体晶片的低温键合方法，包括以下步骤：a.硅片预处理：准备硅片，对硅片进行化学清洗法清洗，得到洁净的硅片；b.化合物半导体晶片的表面处理：准备化合物半导体晶片，对化合物半导体晶体进行倒角处理，然后进行物理抛光和化学机械抛光表面处理工艺，使化合物半导体晶片的晶体表面无肉眼可见划痕，完成化合物半导体晶片的表面处理；c.硅片和化合物半导体晶片的键合过程：采用如下三种方式中的任意一种硅片和化合物半导体晶片的键合方式：方式一：采用石墨烯作为中间介质材料，将石墨烯转移至经过所述步骤a预处理的硅片的表面，将石墨烯涂覆在硅片的表面上，将硅片和经过所述步骤b表面处理的化合物半导体晶片在去离子水中清洗后并进行干燥；然后对表面涂覆石墨烯的Si晶体表面和化合物半导体晶片的晶体表面进行贴合，形成硅-石墨烯-化合物半导体形式的组合层结构体，然后在不高于250℃的条件下进行低温退火键合，使石墨烯层形成电子传输层，从而制备得到硅片和化合物半导体晶片键合晶片器件；方式二：采用石墨烯作为中间介质材料，将石墨烯转移至经过所述步骤b表面处理的化合物半导体晶片的表面，将石墨烯涂覆在化合物半导体晶片的表面上，将经过所述步骤a预处理的硅片和化合物半导体晶片在去离子水中清洗后并进行干燥；然后对表面涂覆石墨烯的化合物半导体表面和硅片的晶体表面进行贴合，形成硅-石墨烯-化合物半导体形式的组合层结构体，然后在不高于250℃的条件下进行低温退火键合，使石墨烯层形成电子传输层，从而制备得到硅片和化合物半导体晶片键合晶片器件；方式三：采用石墨烯作为中间介质材料，将石墨烯分别转移至经过所述步骤b表面处理的化合物半导体晶片的表面和经过所述步骤b表面处理的化合物半导体晶片的表面，将石墨烯分别涂覆在化合物半导体晶片的表面上和硅片的表面上，将硅片和化合物半导体晶片在去离子水中清洗后并进行干燥；然后对表面涂覆石墨烯的化合物半导体表面和表面涂覆石墨烯的硅片的晶体表面进行贴合，形成硅-石墨烯-石墨烯-化合物半导体形式的组合层结构体，然后在不高于250℃的条件下进行低温退火键合，使石墨烯层形成电子传输层，从而制备得到硅片和化合物半导体晶片键合晶片器件。作为本专利技术优选的技术方案，在所述步骤c中，进行低温退火键合时，退火温度为100-250℃，退火时间为20-24h。作为本专利技术优选的技术方案，在所述步骤b中，所述化合物半导体晶片采用ⅡB-ⅥA族半导体或ⅢB-VA族半导体。所述化合物半导体晶片进一步优选采用CdZnTe。作为本专利技术优选的技术方案，在所述步骤a中，对硅片进行化学清洗法清洗，包括如下步骤：配制淸洗所用清洗溶液Ⅰ、溶液Ⅱ和溶液Ⅲ:溶液Ⅰ为有机物淸洗液，其采用质量浓度不低于27％的氨水、质量浓度不低于30％的双氧水和去离子水，并以体积比为1:1:5的比例混合后，配制得到；溶液Ⅱ为氧化物去除液，其采用质量浓度不低于50％的氢氟酸和去离子水，以体积比为1:50的比例混合后，配制得到；溶液Ⅲ为离子清洗液，其采用质量浓度不低于37％的盐酸、质量浓度不低于30％的双氧水和去离子水，以体积比为1:1:6的比例混合后，配制得到；将硅片依次进行以下清洗过程：首先将硅片浸入溶液Ⅰ中，在不高于70℃下浸泡至少10分钟后，将硅片取出后再放入去离子水中进行清洗至少2分钟；然后，将硅片浸入溶液Ⅱ中，在常温下浸泡至少30秒后，将硅片取出再放入去离子水中清洗至少2分钟；最后，将硅片浸入溶液Ⅲ中，在不高于70℃下浸泡至少10分钟后，将硅片取出再放入去离子水中进行清洗至少2分钟，完成硅片清洗过程。作为本专利技术优选的技术方案，在所述步骤b中，进行化合物半导体晶片的表面处理时，先将化合物半导体晶片进行倒角，使四周边角平滑；将化合物半导体晶体用蜡粘至玻璃板，使用PM6物理抛光仪器，进行初步抛光，抛光盘选用玻璃盘，夹具压力设置为120g，抛光液为3微米氧化铝粉末和去离子水重量1:10混合而成；将玻璃板放置在夹具上，开始抛光至化合物半导体晶片厚度减薄至比低于200微米停止，使化合物半导体晶体表面呈现磨砂状；然后将抛光盘换为绒布盘，将夹具压力调整为230g，抛光液依旧为3微米氧化铝粉末和去离子水重量1:10混合而成，抛光至少10分钟后停止，使此时化合物半导体晶体表面无明显划痕；最后使用PM6物理化学抛光机，进行物理化学抛光，抛光液为化学抛光液，夹具压力设50g，开始抛光，直至化合物半导体晶体表面无肉眼可见划痕；然后将玻璃板和化合物半导体晶体泡在除蜡液中，直至化合物半导体晶体从玻璃板表面脱落，然用去离子水冲洗化合物半导体晶体至少2分钟，干燥后得到洁净的化合物半导体晶片，完成化合物半导体晶片的表面处理过程。作为本专利技术优选的技术方案，在所述步骤c中，将石墨烯转移至化合物半导体晶体或硅片表面上时，具体步骤如下：采用悬空自助转移石墨烯，将涂有PMMA保护膜的石墨烯在去离子水中释放，用化合物半导体晶体或硅片处理好的表面在去离子水中与石墨烯平面进行接触，从去离子水中取出后在空气中晾干至少20分钟，然后在不高于70℃环境下进行烘干至少30分钟，然后取出化合物半导体晶体或硅片，并降至室温；再准备两份丙酮溶液，将化合物半导体晶体或硅片在第一份丙酮中浸泡至少10分钟，取出后再转移到第二份丙酮中浸泡至少30分钟，去除PMMA，使石墨烯完全转移结合到晶体表面。本专利技术与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：1.本专利技术方法专利技术在CdZnTe与硅的键合过程中引入石墨烯作为键合介质层，采用的键合方法所需温度低，部分过程本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硅片和化合物半导体晶片的低温键合方法，其特征在于：包括以下步骤：/na.硅片预处理：/n准备硅片，对硅片进行化学清洗法清洗，得到洁净的硅片；/nb.化合物半导体晶片的表面处理：/n准备化合物半导体晶片，对化合物半导体晶体进行倒角处理，然后进行物理抛光和化学机械抛光表面处理工艺，使化合物半导体晶片的晶体表面无肉眼可见划痕，完成化合物半导体晶片的表面处理；/nc.硅片和化合物半导体晶片的键合过程：/n采用如下三种方式中的任意一种硅片和化合物半导体晶片的键合方式：/n方式一：采用石墨烯作为中间介质材料，将石墨烯转移至经过所述步骤a预处理的硅片的表面，将石墨烯涂覆在硅片的表面上，将硅片和经过所述步骤b表面处理的化合物半导体晶片在去离子水中清洗后并进行干燥；然后对表面涂覆石墨烯的Si晶体表面和化合物半导体晶片的晶体表面进行贴合，形成硅-石墨烯-化合物半导体形式的组合层结构体，然后在不高于250℃的条件下进行低温退火键合，使石墨烯层形成电子传输层，从而制备得到硅片和化合物半导体晶片键合晶片器件；/n方式二：采用石墨烯作为中间介质材料，将石墨烯转移至经过所述步骤b表面处理的化合物半导体晶片的表面，将石墨烯涂覆在化合物半导体晶片的表面上，将经过所述步骤a预处理的硅片和化合物半导体晶片在去离子水中清洗后并进行干燥；然后对表面涂覆石墨烯的化合物半导体表面和硅片的晶体表面进行贴合，形成硅-石墨烯-化合物半导体形式的组合层结构体，然后在不高于250℃的条件下进行低温退火键合，使石墨烯层形成电子传输层，从而制备得到硅片和化合物半导体晶片键合晶片器件；/n方式三：采用石墨烯作为中间介质材料，将石墨烯分别转移至经过所述步骤b表面处理的化合物半导体晶片的表面和经过所述步骤b表面处理的化合物半导体晶片的表面，将石墨烯分别涂覆在化合物半导体晶片的表面上和硅片的表面上，将硅片和化合物半导体晶片在去离子水中清洗后并进行干燥；然后对表面涂覆石墨烯的化合物半导体表面和表面涂覆石墨烯的硅片的晶体表面进行贴合，形成硅-石墨烯-石墨烯-化合物半导体形式的组合层结构体，然后在不高于250℃的条件下进行低温退火键合，使石墨烯层形成电子传输层，从而制备得到硅片和化合物半导体晶片键合晶片器件。/n...

【技术特征摘要】
1.一种硅片和化合物半导体晶片的低温键合方法，其特征在于：包括以下步骤：
a.硅片预处理：
准备硅片，对硅片进行化学清洗法清洗，得到洁净的硅片；
b.化合物半导体晶片的表面处理：
准备化合物半导体晶片，对化合物半导体晶体进行倒角处理，然后进行物理抛光和化学机械抛光表面处理工艺，使化合物半导体晶片的晶体表面无肉眼可见划痕，完成化合物半导体晶片的表面处理；
c.硅片和化合物半导体晶片的键合过程：
采用如下三种方式中的任意一种硅片和化合物半导体晶片的键合方式：
方式一：采用石墨烯作为中间介质材料，将石墨烯转移至经过所述步骤a预处理的硅片的表面，将石墨烯涂覆在硅片的表面上，将硅片和经过所述步骤b表面处理的化合物半导体晶片在去离子水中清洗后并进行干燥；然后对表面涂覆石墨烯的Si晶体表面和化合物半导体晶片的晶体表面进行贴合，形成硅-石墨烯-化合物半导体形式的组合层结构体，然后在不高于250℃的条件下进行低温退火键合，使石墨烯层形成电子传输层，从而制备得到硅片和化合物半导体晶片键合晶片器件；
方式二：采用石墨烯作为中间介质材料，将石墨烯转移至经过所述步骤b表面处理的化合物半导体晶片的表面，将石墨烯涂覆在化合物半导体晶片的表面上，将经过所述步骤a预处理的硅片和化合物半导体晶片在去离子水中清洗后并进行干燥；然后对表面涂覆石墨烯的化合物半导体表面和硅片的晶体表面进行贴合，形成硅-石墨烯-化合物半导体形式的组合层结构体，然后在不高于250℃的条件下进行低温退火键合，使石墨烯层形成电子传输层，从而制备得到硅片和化合物半导体晶片键合晶片器件；
方式三：采用石墨烯作为中间介质材料，将石墨烯分别转移至经过所述步骤b表面处理的化合物半导体晶片的表面和经过所述步骤b表面处理的化合物半导体晶片的表面，将石墨烯分别涂覆在化合物半导体晶片的表面上和硅片的表面上，将硅片和化合物半导体晶片在去离子水中清洗后并进行干燥；然后对表面涂覆石墨烯的化合物半导体表面和表面涂覆石墨烯的硅片的晶体表面进行贴合，形成硅-石墨烯-石墨烯-化合物半导体形式的组合层结构体，然后在不高于250℃的条件下进行低温退火键合，使石墨烯层形成电子传输层，从而制备得到硅片和化合物半导体晶片键合晶片器件。


2.根据权利要求1所述硅片和化合物半导体晶片的低温键合方法，其特征在于：在所述步骤c中，进行低温退火键合时，退火温度为100-250℃，退火时间为20-24h。


3.根据权利要求1所述硅片和化合物半导体晶片的低温键合方法，其特征在于：在所述步骤b中，所述化合物半导体晶片采用ⅡB-ⅥA族半导体或ⅢB-VA族半导体。


4.根据权利要求3所述硅片和化合物半导体晶片的低温键合方法，其特征在于：在所述步骤b中，所述化合物半导体晶片采用CdZnTe。


5.根据权利要求1所述硅片和化合物半导体晶片的低温键合方法，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：闵嘉华，秦美琪，陈军，戴灵恩，赵树浩，梁小燕，张继军，沈悦，王林军，赵岳，
申请(专利权)人：上海大学，
类型：发明
国别省市：上海;31