CN102110594B - 一种对GaAs与Si进行低温金属键合的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种对GaAs与Si进行低温金属键合的方法，包括：清洗单面抛光的GaAs外延片，去除表面的有机物；对该GaAs外延片进行光刻腐蚀，得到带窄条的GaAs外延片；在该GaAs外延片上蒸镀金属层；采用剥离方法去胶，得到一定厚度的金属条；清洗Si外延片，去除表面的有机物；采用H2SO4溶液及RCA1溶液对Si外延片表面进行处理，将清洗干净的Si外延片与GaAs外延片进行贴合，得到贴合后的晶片；将该贴合后的晶片对置于真空键合机内进行键合，并进行热处理，以驱除键合界面的水气；对键合后的晶片进行减薄，并腐蚀掉键合晶片的GaAs衬底。利用本发明，实现了GaAs与Si的低温金属键合，并可以推广到III-V族与III-V族(或IV族的Si、Ge等材料)的键合。
Description
技术领域
本发明涉及半导体技术中多结太阳能电池技术领域，特别是指一种对GaAs与Si进行低温金属键合的方法，通过键合实现任意电池的连接。
背景技术
利用多结、多能带或多能级结构是实现超高效率的太阳电池最现实的方法之一。与太阳光谱相匹配的多结太阳电池的单层材料的晶格常数相差比较大，采用键合技术实现高效多结电池成为未来电池发展得一种趋势。键合的实验方法简单；位错仅局域于界面，突破了晶向、晶格匹配等限制，最大限度地与太阳光谱匹配，实现高效率。美国加州理工大学在国际上率先将半导体键合技术应用于多结高效化合物太阳电池研究中，目前研究的中心是GaInP2/GaAs和InGaAsP/InGaAs体系的直接键合。同时德国Fraunhofer研究所把直接键合集成技术和外延层转移技术应用在GaAs与Si缓冲衬底上，之后外延生长高效多结太阳电池。美国加州Anoex公司和加州理工大学等将InGaAs太阳电池制作在InP/Si衬底上，使得在Si衬底上生长超过4节的太阳能电池成为可能。目前键合的双结电池最好指标为美国加州理工大学的Tanabe等人报道的直接键合的GaAs/InGaAs双结电池(KTanabe，Anna Fontcuberta i Morral，Harry A.Atwater ane etc，Direct-bondedGaAs/InGaAs tandem solar cell，APPLIED PHYSICS LETTERS，89，102106，2006.)，其指标如下：电池效率(1 suns，AM1.5，25℃)为9.3％，电池面积为0.337cm2，填充因子为0.62。国内尚无相关键合电池效率的报导，国外目前尚没有金属键合实现多结太阳电池的报道。
对于半导体材料之间的直接键合，其键合界面处的半导体材料掺杂浓度和表面粗糙度都有极其严格的要求，否则键合质量不高，导致电池效率降低甚至假键合。而金属键合相对比较简单，只需在原来的电池材料键合面分别蒸镀合适厚度的金属就可很容易键合上，界面质量很好且键合面积大、成功率高。采用合理设计的有一定图形结构的金属键合，可以影响键合界面两侧半导体材料的势垒和电导，减少金属对光的吸收，避免了生长隧道结的复杂性，不会造成明显的电压损失和太大的电流损失。
对于金属键合很容易实现低温键合，键合后的晶片可以耐住所有的半导体工艺如高温煮沸、腐蚀、减薄等。目前国际上低温键合的成功范例很多，如童勤义等人利用等离子体处理晶片表面后，在200度获得界面键合能高于体InP材料键合能的键合晶片；加州大学的Mages等人也是先经过低温热处理后再进行高温键合；国内曾有过赵洪泉等人的低温键合技术。不过前两者对实验仪器和条件要求都很高，而第三者虽然对实验仪器条件要求不高，但是键合时间很长，键合过程中对操作人员的要求很高。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种对GaAs与Si进行低温金属键合的方法，以实现GaAs与Si的低温金属键合。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种对GaAs与Si进行低温金属键合的方法，该方法包括：
清洗单面抛光的GaAs外延片，去除表面的有机物；
对该GaAs外延片进行光刻腐蚀，得到带窄条的GaAs外延片；
在该GaAs外延片上蒸镀金属层；
采用剥离方法去胶，得到一定厚度的金属条；
清洗Si外延片，去除表面的有机物；
采用H2SO4溶液及RCA1溶液对Si外延片表面进行处理，将清洗干净的Si外延片与GaAs外延片进行贴合，得到贴合后的晶片；
将该贴合后的晶片对置于真空键合机内进行键合，并进行热处理，以驱除键合界面的水气；以及
对键合后的晶片进行减薄，并腐蚀掉键合晶片的GaAs衬底。
上述方案中，所述清洗单面抛光的GaAs外延片，去除表面的有机物的步骤，包括：将单面抛光的GaAs外延片用有机溶剂清洗，去除表面的有机物，再用等离子水冲洗至少5分钟。
上述方案中，所述清洗Si外延片，去除表面的有机物的步骤，包括：将Si外延片用有机溶剂清洗，去除表面的有机物，再用等离子水冲洗至少5分钟。
上述方案中，所述GaAs外延片包括：
一n型GaAs衬底16；
一n型GaAs缓冲层17；
一p型GaAs层18，该p型层18制作在n型GaAs缓冲层17上；
一p型Al0.9Ga0.1As层19，该Al0.9Ga0.1As层19制作在p型GaAs层18上；
一p型GaAs层20，该p型GaAs层20制作在p型Al0.9Ga0.1As层19上；
一n型GaAs层21，该n型GaAs层21制作在p型GaAs层20上；
一n型Al0.2Ga0.8As层22，该n型Al0.2Ga0.8As层22制作在n型GaAs层21上；以及
一n型GaAs层23，该n型GaAs层23制作在n型Al0.2Ga0.8As层22上。
上述方案中，所述Si外延片包括：
一n型Si衬底11；
一p型Si层12，该p型Si层12制作在n型Si衬底11上；
一n型Si层13，该n型Si层13制作在p型Si层12上。
上述方案中，所述将该贴合后的晶片对置于真空键合机内进行键合的步骤中，真空键合的真空度采用10-4至10-5Pa。
上述方案中，所述在GaAs外延片上蒸镀金属层的步骤中，金属层采用的金属材料为Ti/Au、AuGeNi/Au、Al或Ni/Au，金属材料的厚度为200nm至350nm。
上述方案中，所述进行热处理的步骤中，施加在键合后晶片上的压力为1MPa至5MPa。
上述方案中，所述进行热处理的步骤包括以下四个温度阶段：
阶段1：30～90℃温度范围内预键合1小时；
阶段2：120～200℃温度范围内预键合1小时；
阶段3：250℃预键合0.5小时；
阶段4：缓慢降温，至室温后取出晶片。
上述方案中，所述热处理在温度为250℃以上时，升温要求缓慢，平均0.2～0.5℃/分钟；降温过程也要求同样缓慢，平均0.2～0.5℃/分钟；而在温度低于200℃时采取自然降温的方式降温。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的对GaAs与Si进行低温金属键合的方法，实现了GaAs与Si的低温金属键合，并通过先光刻再溅射金属的方法，能比较好的实现金属键合的太阳电池结构，相对于先溅射金属再光刻的方法，成功率更高，键合力更强。本发明为实现高效太阳电池提供了一种新的工艺方法，为通过键合实现高效多结太阳电池打下基础。
2、本发明提供的对GaAs与Si进行低温金属键合的方法，可重复性比较高，键合时间大大缩短，只需要按照设定的操作流程认真执行，就可以获得质量很高的键合晶片。一般的衬底晶片厚度在350μm左右，对于比较厚的外延片(如400μm-460μm)也可使用本发明得到高质量的键合晶片。
3、本发明可广泛应用于微电子、硅基光电子、光通信领域，特别是对于灵敏度要求极高的长距离光纤通信系统及新型高效太阳能电池等。
附图说明
图1为本发明提供的对GaAs与Si进行低温金属键合的方法流程图；
图2a至图2c为本发明提供的对GaAs与Si进行低温金属键合的工艺流程图；GaAs外延片15和Si外延片10经过前述方法清洗后，将n Si层13的表面与金属层24的表面键合在一起，进行热处理，然后减薄GaAs衬底16，用腐蚀液去掉GaAs衬底16，将GaAs薄膜转移到了Si衬底11上；
图3a是GaAs外延片的结构示意图；
图3b是Si外延片的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明是利用真空键合机对GaAs与Si进行低温金属键合的方法，如图1所示，该方法包括以下步骤：
步骤1：清洗单面抛光的GaAs外延片，去除表面的有机物；
步骤2：对该GaAs外延片进行光刻腐蚀，得到带窄条的GaAs外延片；
步骤3：在该GaAs外延片上蒸镀金属层；
步骤4：采用剥离方法去胶，得到一定厚度的金属条；
步骤5：清洗Si外延片，去除表面的有机物；
步骤6：采用H2SO4溶液及RCA1溶液对Si外延片表面进行处理，将清洗干净的Si外延片与GaAs外延片进行贴合，得到贴合后的晶片；
步骤7：将该贴合后的晶片对置于真空键合机内进行键合，并进行热处理，以驱除键合界面的水气；以及
步骤8：对键合后的晶片进行减薄，并腐蚀掉键合晶片的GaAs衬底。
基于图1所示的对GaAs与Si进行低温金属键合的方法流程图，图2a至图2c示出了本发明提供的对GaAs与Si进行低温金属键合的工艺流程图，包括如下步骤：
步骤1：将单面抛光的GaAs外延片15用有机溶剂清洗，去除表面的有机物，再用等离子水冲洗5分钟以上；
如图3a所示，GaAs外延片15包括：
一n型GaAs衬底16；
一n型GaAs buffer 17；
一p型GaAs层18，该p型层18制作在n型GaAs buffer17上；
一p型Al0.9Ga0.1As层19，该Al0.9Ga0.1As层19制作在p型GaAs层18上；
一p型GaAs层20，该p型GaAs层20制作在p型Al0.9Ga0.1As层19上；
一n型GaAs层21，该n型GaAs层21制作在p型GaAs层20上；
一n型Al0.2Ga0.8As层22，该n型Al0.2Ga0.8As层22制作在n型GaAs层21上；以及
一n型GaAs层23，该n型GaAs层23制作在n型Al0.2Ga0.8As层22上。
GaAs外延片的清洗过程：
①用丙酮棉球擦拭GaAs外延片15的表面，在显微镜下观察无明显的脏污颗粒，这样的外延片才可以用于键合；
②用乙醇、丙酮、三氯乙烯按顺序来回高温超声煮洗GaAs外延片15各3遍，最后用乙醇清洗完后，用去离子水反复冲洗5分钟，目的在于清除表面有机物污染；
步骤2：对GaAs外延片15进行光刻腐蚀，根据器件要求设计条的宽度，得到带窄条的GaAs外延片15；
步骤3：GaAs外延片15上蒸镀金属层24；该金属层24制作在n型GaAs层23上。
步骤4：采用剥离方法去胶，得到一定厚度的金属条；
步骤5：将Si外延片10用有机溶剂清洗，去除表面的有机物，再用等离子水冲洗5分钟以上；采用H2SO4溶液及RCA1溶液对Si表面进行处理，其中RCA1配比为NH4OH∶H2O2∶H2O＝1∶1∶4(体积比)。
如图3b所示，Si外延片10包括：
一n型Si衬底11；
一p型Si层12，该n型Si层21制作在n型Si衬底11上；
一n型Si层13，该Si层13制作在p型Si层12上。
步骤6：将清洗干净的Si外延片10和GaAs外延片15进行贴合，贴合后的晶片对置于真空键合机内键合，进行热处理，以驱除键合界面的水气。这里所述的热处理包括：
(1)将放置有两贴合好的外延片的夹具置于真空键合机内，密封之后通过施力装置给晶片施加一定的压力，一般在1-5MPa之间。然后开始抽真空，到达一定的真空度(3×10-3Pa以下)后可以开始设定低温30-90度，在30-90℃温度范围内预键合1小时左右。在保温过程中真空度保持在10-4-10-5Pa。
(2)预键合后的晶片进行1小时以上的120-200度的低温键合，压力同上。此过程可以去除界面间的水汽，此过程键合时间越长键合能越大。
(3)预键合后的晶片再进行1小时左右的250度的低温键合。进一步清除界面水汽，增加界面键合能。键合界面的成键方式伴随温度的上升和气体的逸出，从预键合时的范德瓦尔斯结合转变成为原子键结合。
(4)然后开始缓慢降温，到室温后可取出晶片，进行下一步的处理。注意200℃以后升温和降温的过程要比较缓慢，平均0.2-0.5℃/分钟左右，防止热应力得不到及时释放而导致键合失败。
步骤7：对键合后的晶片进行减薄。将上述键合晶片取出后，机械减薄GaAs衬底，减薄到100μm左右。
步骤8：腐蚀掉键合晶片的GaAs衬底16，完成低温金属键合的制作。
GaAs衬底16的腐蚀步骤如下：
(1)用光刻胶或蜡保护晶片侧面，防止腐蚀液侧蚀。
(2)将键合好的晶片置于H3PO4∶H2O2∶H2O＝1∶1∶3溶液中进行GaAs衬底16的腐蚀；获得表面层为p+GaAs的电极接触层18，这样表面约几微米的GaAs薄膜就转移到了Si衬底上，得到了键合的GaAs/Si双结太阳电池晶片。
(3)利用有机溶剂去除胶或蜡。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种对GaAs与Si进行低温金属键合的方法，其特征在于，该方法包括：
清洗单面抛光的GaAs外延片，去除表面的有机物；
对该GaAs外延片进行光刻腐蚀，得到带窄条的GaAs外延片；
在该GaAs外延片上蒸镀金属层，该金属层采用的金属材料为Ti/Au、AuGeNi/Au、Al或Ni/Au；
采用剥离方法去胶，得到一定厚度的金属条；
清洗Si外延片，去除表面的有机物；
采用H2SO4溶液及RCA1溶液对Si外延片表面进行处理，将清洗干净的Si外延片与GaAs外延片进行贴合，得到贴合后的晶片；
将该贴合后的晶片对置于真空键合机内进行键合，并进行热处理，以驱除键合界面的水气；以及
对键合后的晶片进行减薄，并腐蚀掉键合晶片的GaAs衬底。
2.根据权利要求1所述的对GaAs与Si进行低温金属键合的方法，其特征在于，所述清洗单面抛光的GaAs外延片，去除表面的有机物的步骤，包括：
将单面抛光的GaAs外延片用有机溶剂清洗，去除表面的有机物，再用等离子水冲洗至少5分钟。
3.根据权利要求1所述的对GaAs与Si进行低温金属键合的方法，其特征在于，所述清洗Si外延片，去除表面的有机物的步骤，包括：
将Si外延片用有机溶剂清洗，去除表面的有机物，再用等离子水冲洗至少5分钟。
4.根据权利要求1所述的对GaAs与Si进行低温金属键合的方法，其特征在于，所述GaAs外延片包括：
一n型GaAs衬底(16)；
一n型GaAs缓冲层(17)；
一p型GaAs层(18)，该p型层(18)制作在n型GaAs缓冲层(17)上；
一p型Al0.9Ga0.1As层(19)，该Al0.9Ga0.1As层(19)制作在p型GaAs层(18)上；
一p型GaAs层(20)，该p型GaAs层(20)制作在p型Al0.9Ga0.1As层(19)上；
一n型GaAs层(21)，该n型GaAs层(21)制作在p型GaAs层(20)上；
一n型Al0.2Ga0.8As层(22)，该n型Al0.2Ga0.8As层(22)制作在n型GaAs层(21)上；以及
一n型GaAs层(23)，该n型GaAs层(23)制作在n型Al0.2Ga0.8As层(22)上。
5.根据权利要求1所述的对GaAs与Si进行低温金属键合的方法，其特征在于，所述Si外延片包括：
一n型Si衬底(11)；
一p型Si层(12)，该p型Si层(12)制作在n型Si衬底(11)上；
一n型Si层(13)，该n型Si层(13)制作在p型Si层(12)上。
6.根据权利要求1所述的对GaAs与Si进行低温金属键合的方法，其特征在于，所述将该贴合后的晶片对置于真空键合机内进行键合的步骤中，真空键合的真空度采用10-4至10-5Pa。
7.根据权利要求1所述的对GaAs与Si进行低温金属键合的方法，其特征在于，所述在GaAs外延片上蒸镀金属层的步骤中，金属层的厚度为200nm至350nm。
8.根据权利要求1所述的对GaAs与Si进行低温金属键合的方法，其特征在于，所述进行热处理的步骤中，施加在键合后晶片上的压力为1MPa至5MPa。
9.根据权利要求1所述的对GaAs与Si进行低温金属键合的方法，其特征在于，所述进行热处理的步骤包括以下四个温度阶段：
阶段1：30～90℃温度范围内预键合1小时；
阶段2：120～200℃温度范围内预键合1小时；
阶段3：250℃预键合0.5小时；
阶段4：缓慢降温，至室温后取出晶片。
10.根据权利要求1所述的对GaAs与Si进行低温金属键合的方法，其特征在于，所述热处理在温度为250℃以上时，升温要求缓慢，平均0.2～0.5℃/分钟；降温过程也要求同样缓慢，平均0.2～0.5℃/分钟；而在温度低于200℃时采取自然降温的方式降温。
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